Морфометрия листовой пластинки как показатель загрязнения окружающей среды (на примере г. Минска)

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ Учреждение образования

«Гомельский государственный университет имени Франциска Скорины»

Биологический факультет Кафедра ботаники и физиологии растений МОРФОМЕТРИЯ ЛИСТОВОЙ ПЛАСТИНКИ КАК ПОКАЗАТЕЛЬЗАГРЯЗНЕНИЯ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ (НА ПРИМЕРЕ г. МИНСКА) Курсовая работа Исполнитель студент группы Б-42

Анна Михайловна Ключникова Гомель 2012

СОДЕРЖАНИЕ ВВЕДЕНИЕ

1. ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ

1.1 ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

1.1.1 Особенности древесных растений

1.1.2 Виды деревьев, используемых в озеленении, интродуцированные растения

1.2 Морфометрия листовой пластинки древесных растений как показатель загрязнения окружающей среды. Измеряемые параметры, рассчитываемые индексы

1.2.1 Общие принципы использования биоиндикаторов

1.2.2 Особенности использования растений в качестве биоиндикаторов

1.2.3 Биологические индексы и коэффициенты, используемые при индикационных исследованиях

2. ОБЪЕКТ, ПРОГРАММА И МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ

2.1 Объект исследований

2.2 Методика сбора, гербаризации и хранения древесных растений

2.3 Методика проведения описаний мест отбора

2.4 Методика промеров, статистическая обработка данных

3. РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ ЗАКЛЮЧЕНИЕ СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

ВВЕДЕНИЕ

Несмотря на важность химических и физических анализов обеспечивающих получение базовой информации о концентрации различных поллютантов и физических изменениях, биологическая оценка качества среды остается приоритетной, поскольку дает возможность интегральной характеристики качества среды. Одним из перспективных подходов для интегральной характеристики качества среды является оценка состояния живых организмов по стабильности развития, которая характеризуется уровнем флуктуирующей асимметрии (ФА) морфологических структур.

Учитывая, что экологический каркас любого города образован разными, по происхождению, назначению и структуре насаждениями, перспективным является биоиндикация окружающей среды по стабильности развития древесных растений, в частности флуктуирующей асимметрии листовой пластинки березы повислой. Однако в работах по применению флуктуирующей асимметрии листовой пластинки березы повислой в биоиндикационных целях не проводилось специальных исследований по изучению закономерности влияния характеристик климата и техногенных факторов на флуктуирующую асимметрию листовой пластинки березы повислой, произрастающей в рекреационных зонах крупных промышленных центров, а также на особо охраняемых природных территориях[1; 2].

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. 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. 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.

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.

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.

На сегодняшний день одним из эффективных и недорогих методов биомониторинга является фитоиндикация [1], 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. 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.

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. 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:

а) провести полный анализ морфометрических параметров листьев берёзы повислой (Betula pendula);

б) сопоставить данные морфометрических параметров листа березы повислой в г. Минске;

в) выявить особенности адаптации листьев березы повислой к действию загрязняющих веществ в условиях урбаносреды;

г) определить возможность использования березы повислой для мониторинга окружающей среды и озеленения улиц города.

В связи с актуальностью нами была сформулирована тема исследования: «Морфометрия листовой пластинки как показатель загрязнения окружающей среды (на примере г. Минска) «

Проблема исследования: каково влияние техногенного загрязнения окружающей среды на показатели функциональной асимметрии листовой пластинки березы.

Практическое значение работы заключается в том, что результаты исследований могут быть применены при преподавании биологических дисциплин, организации работы ботанического кружка, при озеленении города.

1. ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ

1.1 ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

1.1.1 Особенности древесных растений Древесными называются многолетние растения с деревянистыми надземными и подземными частями. По характеру развития их подразделяют на деревья, кустарники и лианы. Деревья имеют хорошо выраженный один ствол, достигают больших размеров и более долговечны, чем кустарники. Кустарники достигают относительно меньших размеров, образуют уже от корня несколько почти равноценных ветвящихся стволов; обычно менее долговечны, чем деревья.

Лианы — древесные растения с длинными, нуждающимися в опоре стеблями, снабженными специальными приспособлениями для подъема и прикрепления к опоре.

Кроме перечисленных, к древесным растениям можно отнести близкие к ним полукустарники, занимающие промежуточное положение между древесными и травянистыми растениями. К полукустарникам относятся растения, у которых стебли древеснеют не полностью, а лишь в нижней части, верхняя же часть стебля остается травянистой и ежегодно отмирает (например, у некоторых видов клематисов). К полукустарникам относятся также растения, у которых стебли хотя и древеснеют полностью в однолетнем возрасте, но, закончив на второй год циклы цветения и плодоношения, отмирают (например, малина, ежевика).

Обладая различными декоративными свойствами (размеры, форма, цвет) деревья, кустарники и полукустарники находят неодинаковое применение в зеленом строительстве. Главным материалом объемных решений садово-парковых композиций являются деревья; кустарники и полукустарники служат преимущественно вспомогательным материалом. Лишь в малых объектах зеленого строительства (в небольших скверах и парках), а также в специальных садах (например, альпинариях) кустарники используются в качестве основного материала.

Различают вечнозеленые и листопадные древесные растения.

Вечнозеленые имеют многолетние листья (или хвою), которые опадают не все сразу, а постепенно заменяются новыми листьями, так что растение всегда покрыто зелеными листьями.

Листопадные растения ежегодно сбрасывают листья с наступлением неблагоприятных периодов вегетации (в умеренном и холодном климате — зимой; в тропиках — в период засух).

Указанные биологические особенности древесных растений имеют важное значение при использовании их в садово-парковом строительстве. Поэтому необходимо учитывать тот факт, что растения являются живым материалом и их декоративные качества зависят как от свойств самого растения, так и от условий среды, в которых происходит его развитие. Кроме того, декоративные качества растений динамичны, и в большей или меньшей степени связаны с развитием растения — возрастным и сезонным. Поэтому следует использовать декоративные качества растений в неразрывной связи, как с биологическими особенностями, так и с условиями внешней среды.

При выборе вида в зависимости от задачи исследования, необходимо учитывать, что, в силу прикреплённого образа жизни, мелкие травянистые виды растений в большей степени, по сравнению с древесными видами, могут отражать микробиотопические условия. При наличии таких микробиотопических различий, получаемые оценки состояния растений могут существенно различаться для разных видов. Это означает, что для выявления микробиотопических различий предпочтителен выбор травянистых растений, в то время как для характеристики достаточно больших территорий лучше использовать древесные растения[5].

1.1.2 Виды деревьев, используемых в озеленении, интродуцировнные растения Особенности современного озеленения городов заключаются в том, что оно осуществляется в условиях повышенного атмосферного загрязнения. Источниками поступления диоксинов в окружающую среду являются предприятия химической, текстильной, целлюлозно-бумажной промышленностей, транспорт, заводы по сжиганию бытовых отходов, установки по утилизации промышленных отходов.

Сжигание 1 т бытовых отходов вносит в окружающую среду 0,6 мг диоксинов и 0,8 мг фуранов. Самые большие объемы загрязнителей приходятся на теплоэнергетику — до 25−40%, а среди выбросов лидирует диоксид серы. Ежегодно автотранспортом выбрасывается в атмосферу Земли около 300 млн т окиси углерода, 60 млн т углеводородов, 30 млн т окиси азота, а также свинец, бензапирен и альдегиды, относящиеся к особо токсичным веществам.

На долю транспорта (в основном автомобильного) приходится от 65% до 80% валовых выбросов в атмосферу вредных веществ, в состав которых входят оксиды азота и серы, сажа. Например, легковой автомобиль за 1 ч образует 3 м³ двуокиси углерода. В среднем при пробеге 15 тыс. км в год он «сжигает» 4350 кг кислорода и выбрасывает 3250 кг диоксида, 530 — оксида углерода, 93 — ядовитых углеводородов и 27 кг оксидов азота. Общая концентрация загрязняющих примесей в дождевом стоке с дорожных покрытий составляет в среднем до 300 мг/л, из них нефтепродукты — до 60 мл/л. Губительно воздействует на водную среду и деятельность, связанная с техническим обслуживанием и ремонтом автотранспортных средств: при мойке автомобилей и агрегатов образуются сточные воды, содержащие нефтепродукты, взвешенные вещества, кислоты, щелочи, тетраэтилсвинец, что приводит к загрязнению водоемов и почвы, наносит огромный эколого-экономический ущерб.

В результате человеческой деятельности в атмосферу Земли ежегодно выбрасывается 156 млн т сернистого газа, 60 млн т оксидов азота, постоянно находится не менее 250 млн т взвешенных частиц. Усиление колебаний температурного и радиационного режимов, различного рода шумы и вибрации также имеют антропогенную природу.

Человек безболезненно может переносить уровень шума не более 35−40 дБ, в то время как на транспортных магистралях шум достигает 90−100 дБ. Крупные зеленые массивы снижают уровень шума на 22−56%. Кроме того, в воздухе содержится большое количество микроорганизмов. Большинство растений выделяют нейтрализующие их фитонциды (прежде всего тополь, береза, дуб, черемуха, хвойные породы). Отрицательное влияние оказывает и запыленность воздуха, в результате интенсивность ультрафиолетового потока снижается на 40−50%. Сравнительно небольшие городские сады снижают запыленность на 30−40%, а в глубине массива, на расстоянии 250 м от опушки, запыленность снижается в 2,5 раза.

Зеленые насаждения значительно уменьшают концентрацию вредных газов в воздухе, которые поглощаются ими. Твердые же частицы оседают на листьях растений. В среднем 1 га зеленых насаждений поглощает за 1 ч 8 л углекислого газа — столько, сколько выделяют 200 человек. Разные породы обладают неодинаковой интенсивностью фотосинтеза. За вегетационный период одно дерево тополя берлинского ассимилирует в 6,9, дуба черешчатого — в 4,5, липы крупнолистной — в 2,5 раза больше углекислого газа, чем ель обыкновенная. В ряде случаев важное значение имеет ветрозащитная функция зеленых насаждений. Средняя скорость ветра у подветренной опушки в зависимости от породы, густоты и наличия подлеска колеблется в пределах 20−30% первоначальной скорости.

Микроклиматическая роль зеленых насаждений проявляется в снижении температуры воздуха внутри массивов на 2−3°С, а также в повышении относительной влажности воздуха.

Таким образом, задача озеленения городов и промышленных центров с их сложной экологической обстановкой предъявляет жесткие требования к ассортименту древесных и кустарниковых растений, которые составляют основу зеленых устройств. Помимо высокой декоративности растения должны обладать способностью поглощать сернистый газ и другие газообразные примеси, вредные для человека, отличаться бактерицидными свойствами, высокой фотосинтезирующей активностью, а также снижать городской шум. Поэтому современное зеленое строительство немыслимо без широкого применения интродуцированных деревьев, кустарников и лиан.

Интродуценты (интродуцированные растения) — это растения, переселенные в местность, где они раньше не существовали.

Крайне важно, чтобы зеленые насаждения выполняли свои многообразные функции не только в летний период, но и зимой. С этой целью следует шире использовать хвойные породы, которые наряду со своей круглогодичной декоративностью продолжают фотосинтезировать и в зимний период, то есть способны поглощать углекислый газ и выделять кислород в атмосферу и при низких (до минус 5 — минус 10°С) температурах. Кроме того, они лучше других пород гасят городской шум, улавливают пыль и многие выбросы промышленных предприятий и транспорта.

В озеленении современных городов все большее место отводится красивоцветущим кустарникам. Их достоинствами являются: красота и обилие цветков, разнообразие их окраски, различные сроки и продолжительность цветения, простота возделывания, сравнительно небольшие затраты по содержанию, возможность создавать различные оригинальные цветовые композиции.

Озеленение определяет не только своеобразие архитектурного облика городов, но и уровень их благоустройства. Непрерывное увеличение численности населения, средств транспорта и промышленных объектов требует применения современных методов озеленения, эффектность которых во многом зависит от ассортимента древесно-кустарниковых растений.

Территория Беларуси различна по рельефу, климатическим и почвенным условиям. Неоднородность природных условий является причиной зонального размещения естественной растительности и неодинаковой успешности выращивания культурных растений в различных частях республики. Районы наиболее эффективной культуры деревьев, кустарников и лиан, включенных в ассортимент, определены на основе районирования территории Беларуси, разработанного академиком Н. Д. Нестеровичем для целей интродукции древесных растений.

Деревья, кустарники и лианы, рекомендуемые для озеленения территорий Беларуси, по своей экологической и ландшафтной значимости делятся на три категории.

К первой, составляющей основу ассортимента, относятся древесные растения, которые применяются особенно часто и в массовом количестве. Это в основном местные лесные породы и наиболее устойчивые и широко применяемые экзоты, способные успешно произрастать на всей территории Беларуси в разнообразных почвенно-грунтовых условиях. Они используются для создания крупных массивов и больших групп в парках и лесопарках, для аллей, уличного озеленения и обсадки дорог. Эти растения определяют облик культурного ландшафта целого района. Растения первой категории обеспечены маточным фондом для массового размножения и должны быть обязательными для ассортимента производственных питомников республики. Доля их участия в общем количестве посадочного материала и соответственно в насаждениях — 70−75%.

Во вторую категорию растений входят экзоты и некоторые местные виды, которые по возможности размножения реже применяются в озеленении. Они дополняют посадки растений первой группы, ландшафтная роль их — подчиненная. Использование этих растений может ограничиваться лишь отдельными районами республики. Декоративные качества многих растений второй категории достаточно высокие, и они представляют значительную ценность для групповых, одиночных и линейных посадок на фоне растений основного ассортимента. В эту группу входит 49 видов.

Третью категорию составляют растения, массовое применение которых в озеленении по разным причинам не рекомендуется. Сюда относятся, во-первых, растения несколько пониженной устойчивости к низким температурам, опасным вредителям и болезням, во-вторых, менее декоративные виды, в-третьих, садовые формы яркой красоты и необычного вида, которые по ландшафтным соображениям могут применяться лишь изредка, главным образом в одиночной посадке, в-четвертых, редкие и недостаточно испытанные экзоты, в-пятых, растения, мало обеспеченные местным исходным материалом для размножения. Эти растения применяются в основном в небольших садах и парках, а также во внутриквартальном озеленении, и существенного ландшафтного значения не имеют. Растений третьей категории — 200 видов и форм[6].

Устойчивость растений оценивается интегральным показателем. Прежде всего основу ее составляют такие характеристики, как морозои зимостойкость растений. Учтена также устойчивость к болезням и вредителям, антропогенным факторам. Высокой устойчивостью отличаются ель колючая, можжевельник казацкий, туя, боярышник, клен, облепиха, орех маньчжурский. Менее устойчивы пихта, береза, дуб, липа, рябина. Малоустойчивы лиственница, сосна. Интенсивно поглощают газообразные загрязнения снежная ягода, жимолость, клен, дуб, береза, рябина, тополь[7].

Отношение растений к важнейшему экологическому фактору — термическому режиму зимы и лета — учтено при районировании ассортимента.

По требовательности к почве, главным образом, ее пищевому и водному режиму, растения разделены на три группы: нетребовательные, среднетребовательные и требовательные. К нетребовательным отнесены растения, способные успешно произрастать на песчаных и легких супесчаных суховатых почвах.

Требовательные могут нормально расти лишь на богатых суглинках с устойчивым водным режимом. На почвах пониженного плодородия посадка растений, требовательных к почве, допустима лишь при условии крупных посадочных ям, заполненных перегноем и регулярном поливе в засушливый период года. Среднетребовательные растения довольствуются почвами супесчаными и легкосуглинистыми с содержанием перегноя до 3% и относительно неустойчивым водным режимом. По отношению растений к освещенности они подразделяются на светолюбивые и теневыносливые. К светолюбивым относятся растения, требующие открытых местоположений. Кроны их редкие, пропускающие много света. При затенении такие растения или отдельные ветки кроны относительно быстро отмирают. К теневыносливым относятся растения, способные произрастать при постоянном затенении. Кроны их плотные, малопроницаемые для света. Промежуточную группу составляют растения полутеневыносливые. Они могут переносить без значительного ослабления роста периодическое затенение, но не переносят верхушечного затенения.

Предлагаемый ассортимент составлен на основе результатов многолетних научных исследований и испытаний интродуцированных древесных растений в различных районах республики, проведенных Центральным ботаническим садом НАН Беларуси. Ассортимент значительно расширен за счет декоративных садовых форм, новых сортов и видов, испытанных в последние годы. Он включает 288 наименований в основном списке древесно-кустарниковых растений[6; 8].

Особое место занимают хвойные породы. Все они отличаются высокой декоративностью, эффектны в одиночных и групповых посадках. Их рекомендуется 48 таксонов. Лиственных древесных растений представлено 86 таксонов, кустарников — 136. Среди последних много лиственно-декоративных.

В ассортименте уделено большое внимание садовым формам (пирамидальные, шаровидные, плакучие, стелющиеся). По-прежнему недостаточно в озеленении используются вьющиеся породы. В ассортименте ЦБС НАНБ рекомендует 18 таксонов. Отдельно дается ассортимент садовых форм лиственных деревьев и кустарников (87 таксонов), хвойных пород (129 таксонов). Специально на ландшафтных архитекторов рассчитаны перечни пород по форме кроны: пирамидальные, колонновидные, плакучие, стелющиеся, с необычной окраской хвои. Таким образом, всего рекомендуется около 500 видов, форм и культиваров древесных растений[9].

1.2 Морфометрия листовой пластинки древесных растений как показатель загрязнения окружающей среды. Измеряемые параметры, рассчитываемые индексы

1.2.1 Общие принципы использования биоиндикаторов Состояние биологической системы (организм, популяция, биоценоз) в той или иной степени характеризует воздействие на неё природных или антропогенных факторов и условий среды и может применяться для их оценки.

Биоиндикаторы (от био и лат. Indico — указываю, определяю) — организмы, присутствие, количество или особенности развития которых служат показателями естественных процессов, условий или антропогенных изменений среды обитания. Их индикаторная значимость определяется экологической толерантностью биологической системы. В пределах зоны толерантности организм способен поддерживать свой гомеостаз. Любой фактор, если он выходит за пределы «зоны комфорта» для данного организма, является стрессовым. В этом случае организм реагирует ответной реакцией различной интенсивности и длительности, проявление которой зависит от вида и является показателем его индикаторной ценности. Именно ответную реакцию определяют методы биоиндикации. Биологическая система реагирует на воздействие среды в целом, а не только на отдельные факторы, причём амплитуда колебаний физиологической толерантности модифицируется внутренним состоянием системы — условиями питания, возрастом, генетически контролируемой устойчивостью.

Многолетний опыт учёных разных стран по контролю состояния окружающей среды показал преимущества, которыми обладают живые индикаторы:

а) в условиях хронических антропогенных нагрузок могут реагировать даже на относительно слабые воздействия вследствие кумулятивного эффекта; реакции проявляются при накоплении некоторых критических значений суммарных дозовых нагрузок;

б) суммируют влияние всех без исключения биологически важных воздействий и отражают состояние окружающей среды в целом, включая её загрязнение и другие антропогенные изменения;

в) исключают необходимость регистрации химических и физических параметров, характеризующих состояние окружающей среды;

г) фиксируют скорость происходящих изменений;

д) вскрывают тенденции развития природной среды;

е) указывают пути и места скоплений в экологических системах различного рода загрязнений и ядов, возможные пути их попадания в пищу человека;

ж) позволяют судить о степени вредности любых синтезируемых человеком веществ для живой природы и для нег самого, причём дают возможность контролировать их действие.

Выделяют две формы отклика живых организмов, используемых в целях биоиндикации, — специфическую и неспецифическую. В первом случае происходящие изменения связаны с действием одного какого-либо фактора. При неспецифической биоиндикации различные антропогенные факторы вызывают одинаковые реакции.

В зависимости от типа ответной реакции биоиндикаторы подразделяют на чувствительные и кумулятивные. Чувствительные биоиндикаторы реагируют на стресс значительным отклонением от жизненных норм, а кумулятивные накапливают антропогенное воздействие, значительно превышающее нормальный уровень в природе, без видимых изменений.

В качестве биоиндикаторов могут быть использованы представители всех «царств» живой природы. Для биоиндикации не пригодны организмы, поврежденные болезнями, вредителями и паразитами. Идеальный биологический индикатор должен удовлетворять ряду требований:

а) быть типичным для данных условий;

б) иметь высокую численность в исследуемом экотопе;

в) обитать в данном месте в течение ряда лет, что даёт возможность проследить динамику загрязнения;

г) находиться в условиях, удобных для отбора проб;

д) давать возможность проводить прямые анализы без предварительного концентрирования проб;

е) характеризоваться положительной корреляцией между концентрацией загрязняющих веществ в организме-индикаторе и объекте исследования;

ж) использоваться в естественных условиях его существования;

з) иметь короткий период онтогенеза, чтобы была возможность отслеживания влияния фактора на последующие поколения.

Ответная реакция биоиндикатора на определённое физическое или химическое воздействие должна быть чётко выражена, т. е. специфична, легко регистрироваться визуально или с помощью приборов.

При выборе индикатора необходимо принимать во внимание соображения экономии и учитывать характер использования тех или иных организмов. Например, широко распространенные на исследуемой территории и не занесённые в «Красную книгу».

На уровне популяции биоиндикация проводиться в том случае, если процесс распространения негативных изменений охватывает такое количество особей, при котором заметно сокращается численность популяции, изменяется её половозрастная структура, сокращается продолжительность жизни, происходит сдвиг фенологических фаз и др.

Экосистемный подход к оценке среды даёт возможность ранней диагностики её изменений. Сигналом тревоги служит разбалансировка продукционно-деструкционных процессов. Диагностическими признаками таких сдвигов являются, например, накопление органического вещества, заиление, зарастание водоёмов, усиленное развитие микроорганизмов.

В качестве объектов для биоиндикации применяются разнообразные организмы — бактерии, водоросли, высшие растения, беспозвоночные животные, млекопитающие. Для гарантированного выявления присутствия в природных средах токсического агента неизвестного химического состава, как правило, используется набор объектов, представляющих различные группы сообщества. С введением каждого дополнительного объекта эффективность схемы испытаний повышается, однако нет смысла бесконечно расширять ассортимент обязательных объектов для использования в такой оценке.

Для биоиндикации необходимо выбирать наиболее чувствительные сообщества, характеризующиеся максимальными скоростью отклика и выраженностью параметров. Например, в водных экосистемах наиболее чувствительными являются планктонные сообщества, которые быстро реагируют на изменение среды благодаря короткому жизненному циклу и высокой скорости воспроизводства. Бентосные сообщества, где организмы имеют достаточно длинный жизненный цикл, более консервативны: перестройки происходят в них при длительном хроническом загрязнении, приводящем к необратимости процессов.

К методам биоиндикации, которые можно применять при исследовании экосистемы, относится выявление в изучаемой зоне редких и исчезающих видов. Список таких организмов, по сути, является набором индикаторных видов, наиболее чувствительных к антропогенному воздействию[1].

1.2.2 Особенности использования растений в качестве биоиндикаторов С помощью растений можно проводить биоиндикацию всех природных сред. Индикаторные растения используются при оценке механического и кислотного состава почв, их плодородия, увлажнения и засоления, степени минерализации грунтовых вод и степени загрязнения атмосферного воздуха газообразными соединениями, а также при выявлении трофических свойств водоемов и степени их загрязнения поллютантами. Например, на содержание в почве свинца указывают виды овсяницы (Festuca ovina и др.), полевицы (Agrostis tenuis и др.); цинка — виды фиалки (Viola tricolor и др.), ярутки (Tlaspi alpestre и др.); меди и кобальта — смолевки (Silene vulgaris и др.), многие злаки и мхи.

Чувствительные фитоиндикаторы указывают на присутствие загрязняющего вещества в воздухе или почве ранними морфологическими реакциями — изменением окраски листьев (появление хлорозов; желтая, бурая или бронзовая окраска), различной формы некрозами, преждевременным увяданием и опаданием листвы. У многолетних растений загрязняющие вещества вызывают изменение размеров, формы, количества органов, направления роста побегов или изменение плодовитости. Подобные реакции обычно неспецифичны.

Некоторые естественные факторы могут вызывать симптомы, сходные с антропогенными нарушениями. Так, например, хлороз листьев может быть вызван недостатком железа в почве или ранним заморозком. Поэтому при определении морфологических изменений у растений необходимо учитывать возможность действия других повреждающих факторов.

Индикаторы другого типа представляют собой растения-аккумуляторы. Они накапливают в своих тканях загрязняющее вещество или вредные продукты метаболизма, образуемые под действием загрязняющих веществ, без видимых изменений. При превышении порога токсичности ядовитого вещества для данного вида проявляются различные ответные реакции, выражающиеся в изменении скорости роста и длительности фенологических фаз, биометрических показателей и, в конечном счете, снижении продуктивности.

Получить точные количественные данные о динамике и величине стрессовых воздействий на основе морфологических изменений невозможно, но можно довольно точно определить величину потерь продукции и, имея график зависимости «доза — эффект», рассчитать величину стрессового воздействия.

Б. В. Виноградов классифицировал индикаторные признаки растений как флористические, физиологические, морфологические и фитоценотические. Флористическими признаками являются различия состава растительности изучаемых участков, сформировавшиеся вследствие определенных экологических условий. Индикаторное значение имеет как присутствие, так и отсутствие вида. К физиологическим признакам относятся особенности обмена веществ растений, к анатомо-морфологическим признакам — особенности внутреннего и внешнего строения, различного рода аномалии развития и новообразования, к фитоценотическим признакам — особенности структуры растительного покрова: обилие и рассеянность видов растений, ярусность, мозаичность, степень сомкнутости.

Очень часто в целях биоиндикации используются различные аномалии роста и развития растения — отклонения от общих закономерностей. Ученые систематизировали их в три основные группы, связанные: с торможением или стимулированием нормального роста (карликовость и гигантизм); с деформациями стеблей, листьев, корней, плодов, цветков и соцветий; с возникновением новообразований (к этой группе аномалий роста относятся также опухоли).

Гигантизм и карликовость многие исследователи считают урод-ствами. Например, избыток в почве меди вдвое уменьшает размеры калифорнийского мака, а избыток свинца приводит к карликовости смолевки.

В целях биоиндикации представляют интерес следующие деформации растений:

а) фасциация — лентовидное уплощение и сращение стеблей, корней и цветоносов;

б) махровость цветков, в которых тычинки превращаются в лепестки;

г) пролификация — прорастание цветков и соцветий;

д) асцидия — воронковидные, чашевидные и трубчатые листья у растений с пластинчатыми листьями;

е) редукция — обратное развитие органов растений, вырождение;

ж) нитевидность — нитчатая форма листовой пластинки;

з) филлодий тычинок — превращение их в плоское листовидное образование.

Биомониторинг может осуществляться путем наблюдений за отдельными растениями-индикаторами, популяцией определенного вида и состоянием фитоценоза в целом. На уровне вида обычно производят специфическую индикацию какого-то одного загрязнителя, а на уровне популяции или фитоценоза — общего состояния природной среды[1].

1.2.3 Биологические индексы и коэффициенты, используемые при индикационных исследованиях Для практических целей следует знать, насколько надежен и эффективен тот или иной индикатор, поэтому было предложено характеризовать индикаторы по двум показателям — достоверности и значимости.

Достоверность — это степень сопряженности индикатора с объектом индикации. Абсолютно достоверным считается индикатор, которому объект индикации соответствует в 100% случаев. Для расчета показателя достоверности берут определенное число эталонных участков (или площадок), где обязательно имеется индикатор. Среди них есть такие, где индикатор встречается вместе с объектом индикации. Процентное соотношение этих участков и участков с индикатором, но без объекта индикации служит количественным показателем достоверности индикатора. Например, если из 100 обследованных участков с произрастанием растения-индикатора неглубокого залегания грунтовых вод (1,5 — 5 м) вода была обнаружена только на 95 участках, а на пяти нет, то достоверность индикатора составляет 95/5 = 19. Это довольно большой показатель. Если сопряженность превышает 90%, а показатель достоверности больше 9, то индикатор считается надежным. Удовлетворительным индикатор будет в том случае, если сопряженность равна 75−90%, а показатель достоверности находится в пределах 3−9. Сомнительным индикатор считается, когда сопряженность составляет 60−75%, а показатель достоверности равен 1,5−3. Когда сопряженность менее 60%, а показатель достоверности менее 1,5, индикация невозможна.

Показатель достоверности еще не дает полного представления о практической значимости того или иного индикатора. Так, если растение является абсолютным индикатором, но редко встречается в природе (например, вид занесен в Красную книгу), то его практическое значение ограничено. Вот почему для индикаторов введен показатель значимости, который дает представление о том, насколько часто индикатор встречается вместе с объектом индикации. За 100% принимается количество эталонных участков с объектом индикации. Значимость выражается отношением (в процентах) количества эталонных участков, где объект индикации присутствует вместе с индикатором, к общему количеству эталонных участков с объектом индикации. Например, объект индикации обнаружен на 60 эталонных участках, причем на 42 участках он присутствует вместе с индикатором; следовательно, значимость данного индикатора составляет 42/60*100%= 70%.

Коэффициенты достоверности и значимости являются важными характеристиками индикаторных свойств растения. Если они достаточно высокие, можно начинать фитоиндикацию.

При оценке уровня загрязнения биогеоценозов обычно используют различные критерии, самыми распространенными из которых являются характеристики видового состава, обилия видов и жизненное состояние особей, входящих в сообщество. Первые два критерия тесно связаны между собой, поскольку сравнение сообществ только по составу имеющихся видов без указания на их обилие представляет приблизительную, рекогносцировочную оценку. Для объективного сравнения двух исследуемых площадок в одном биотопе используются различные индексы.

При биоиндикации загрязнения атмосферного воздуха или почвенного покрова применяют коэффициент Жаккара по формуле (1), определяемый как число видов, общих для двух площадок, выраженное в процентах от общего числа видов К J =c/(a+b-c)*100%, (1)

где с — число общих видов для этих двух площадок;

а — число видов на первой площадке;

b — число видов на второй площадке.

Обобщением коэффициента Жаккара является индекс биотической дисперсии Коха, служащий для оценки общей степени сходства некоторого числа видовых списков. Если п списков включают соответственно S1, S2, …, Sn видов и общее число отличных видов равно S, то индекс Коха

I K = S (n-1)/(ф-S)*100%, (2)

где ф= S1 + S2 +… + Sn.

При n = 2 индекс Коха совпадает с коэффициентом Жаккара.

Другой широко используемый коэффициент общности, коэффициент Серенсена Ks, равен числу видов, общих для двух участков с, выраженному в процентах от среднего числа видов на участках, а и b

Ks =2c/(a+b)*100%, (3)

Этот индекс можно применять для регистрации изменений в биогеоценозе за определенный промежуток времени. При этом требуется знать число видов в момент (день, год) начала наблюдений и в момент (день, год), взятый для сравнения.

Если оценка изменения степени проективного покрытия важнее, чем оценка изменения числа видов, применяют несколько иной коэффициент общности. При этом изменения степени проективного покрытия учитываются с помощью процентного сходства (ПС) ПС = 2? min (xi*yi)/? (xi*yi)*100%, (4)

растение биологический индекс древесный где min (xi*yi) — наименьшая степень покрытия вида, общего для описаний х и у.

Важным требованием при проведении сравнительных оценок биоценозов является использование статистических критериев, поэтому вопрос о числе повторностей сравниваемых площадок или о величине площадей должен быть решен с помощью статистических критериев[1].

Средней арифметической величиной (x или Мср) называется такое среднее значение признака, при вычислении которого общий объем признака в совокупности сохраняется неизменным. Иначе можно сказать, что средняя арифметическая величина — среднее слагаемое. При ее вычислении общий объем признака мысленно распределяется поровну между всеми единицами совокупности и определяется по формуле (5)

X= (x1+ x2+ …+ xn)/n=? x1/n. (5)

Простая средняя арифметическая равна отношению суммы индивидуальных значений признака к количеству признаков в совокупности

(6)

где n — численность совокупности[14].

Ошибка средней арифметической. Эта ошибка определяется по формуле (7)

. (7)

Из формулы (7) видно, что чем больше разнообразие признака (величина у), тем больше ошибка.

Если бы все объекты были одинаковы, то есть разнообразие было бы равно нулю, то и ошибка была бы равна нулю (m = 0). В этом случае даже один экземпляр точно характеризовал бы всю генеральную совокупность.

Ошибка также зависит от численности выборки n: чем больше численность, тем меньше ошибка.

Определив ошибку репрезентативности m, можно найти генеральную среднюю по формуле (8)

(8)

где M — выборочная средняя,

t — критерий Стьюдента, соответствующий вероятности получаемого результата,

m — ошибка репрезентативности или просто ошибка.

Точное значение генеральной средней найти невозможно, поскольку число объектов стремится к бесконечности. С помощью данной формулы с определенной степенью вероятности находятся две границы: максимального и минимального значений. Эти значения называются доверительными интервалами, то есть такими, которым можно доверять.

Если доверительные интервалы определены с вероятностью 95% или 0,95, то с вероятностью 5% (100%- 95%) или 0,05 генеральная средняя может быть меньше минимального и больше максимального значений. Значение 5% (или 0,05) называется уровнем значимости.

Чаще всего в биологических и экологических исследованиях результат определяется с вероятностью 95% или 0,95. Такой вероятности соответствует tst = 2[18].

Дисперсия — это средний квадрат отклонений значений X от среднего арифметического значения. Дисперсию можно рассчитывать по формуле средней арифметической простой — получим дисперсию простую

S2= ?(x1- m)2/N, (9)

где m — среднее,

N — размер популяции.

Если исходные данные X сгруппированы (имеются частоты f), то расчет дисперсии выполняется по формуле средней арифметической взвешенной — получим дисперисю взвешенную

S2= ?(x1- m)2f/?f[14]. (10)

2. ОБЪЕКТ, ПРОГРАММА И МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ

2.1 Объект исследований Объектом исследования являются листовые пластинки березы повислой, произрастающей в городе Минске.

Рисунок 1 — Фотография березы повислой (Betula pendula) (одна из учетных площадок) Систематическое положение:

отдел покрытосеменные — Magnoliophyta (Angiospermae);

класс двудольные — Magnoliopsida (Dicotyledoneae);

подкласс гамамелидиды — Hamamelididae

порядок буковые — Fagaceae

семейство Берёзовые — Betulaceae;

род Берёза — Betula L. [11; 12].

Рисунок 2 — Фотография березы повислой (Betula pendula) (исследуемый объект) Берёза повислая, или бородавчатая, или поникшая — Betula pendula Roth (Вetula verrucosa Ehrh.)

Род Вetula — береза, имеет несколько десятков видов, весьма широко распространённых. В средней полосе европейской части СССР особенно обычны два вида: Betula pendula (Вetula verrucosa), берёза повислая, или бородавчатая, и Betula pubescens, берёза пушистая. В чистом виде, т. е. если это не гибридные экземпляры, виды хорошо отличимы. У Betula pendula побеги покрыты шершавыми бородавочками, а форма листа приближается к ромбовидной, в то время как у Betula pubescens молодые побеги и листья мягко опушенные, а листья имеют округлое основание[13].

Береза — листопадное дерево высотой до 20 м с повислыми ветвями и гладкой белой, легко расслаивающейся корой. Кора у молодых деревьев коричневая, а с 8—10 лет белеет. Молодые особи можно спутать с видами ольхи. Во взрослом состоянии хорошо отличается от других деревьев по белой коре. У более старых деревьев кора в нижней части ствола становится глубокотрещиноватой, чёрной. Древесина желтовато-белая, плотная и тяжёлая. Ветки голые, покрыты многочисленными густорассыпчатыми смолистыми желёзками-бородавочками (отсюда и произошли названия берёза бородавчатая и берёза плакучая). Молодые ветви повисают вниз, что придаёт кроне берёзы очень характерный облик (название — берёза повислая). Крона ветвистая, но не густая, ветвление симподиальное. Листья ромбически-яйцевидные или треугольно-яйцевидные, в основании ширококлиновидные, на конце заостренные, по краю дваждыострозубчатые, с обеих сторон гладкие. Листья и молодые веточки покрыты смолистыми железками, душистые. Длина листьев 4−7 см, ширина — 2,5−5 см. Черешки в 2−3 раза короче пластинок. Мужские и женские цветки в сережках. Мужские (тычиночные) сережки повислые по 2−3 на концах веток, длиной 5−6 см, женские (пестичные) — одиночные, на коротких боковых ветвях, пазушные, прямостоячие или отклоненные, длиной 2,5−3 см. Плод — односемянный плоскосжатый орешек с двумя перепончатыми крылышками, крылья вдвое-втрое шире самого орешка[12].

Берёза повислая в свободном состоянии начинает плодоносить с 10 лет, а в насаждении — с 20—25 лет. Плодоношение продолжается ежегодно. Плоды созревают к концу лета и начинают рассеивание. Рассеивание происходит постепенно в течение всей осени и зимы. В берёзовом лесу может выпадать ежегодно до 35 кг берёзовых семян на 1 га.

Берёза повислая — одна из самых светолюбивых пород.

Сравнительно недолговечна, живёт до 120 лет, реже до более взрослого возраста. Цветет в апреле — мае, плоды созревают в августе — сентябре. Встречается в смешанных и чистых насаждениях как лесообразующая порода в лесной и лесостепной зоне, в лесных колках (европейская часть — по всей лесной зоне, кроме севера; в Крыму встречается очень редко в горно-лесном поясе; в Западной Сибири — всюду в лесной зоне, а в степной — до Муго-джар на юге). Широко распространена в парках, садах, около дорог. 13]

Предмет исследования: функциональная асимметрия листовых пластинок березы повислой, произрастающей в городе Минске.

В соответствии с целью, объектом, предметом исследования нами сформулированы следующие задачи:

а) изучить теоретические и практические аспекты применения морфометрических методов биоиндикационных исследований;

б) определить параметры листовой пластинки березы повислой и уровень их асимметрии;

в) 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.

2.2 Методика сбора, гербаризации и хранения древесных растений Для сбора материала в полевых условиях необходимы карандаш, блокнот, компас, курвиметр или линейка, атласы-опредилители высших растений; пакеты для сбора листьев[1].

Сбор материала следует проводить после остановки роста листьев (в средней полосе начиная с июля). Выборку листьев древесных растений необходимо делать с нескольких близко растущих деревьев на площади 10*10 м или на аллее длинной 30−40 м, в исключительных случаях с 2−3 растений. Выборка листьев травянистых растений делается с нескольких экземпляров на площади 1 м². Всего надо собрать не менее 25 листьев среднего размера с одного вида растения. 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 собирать только 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[16;17].

2.3 Методика проведения описаний мест отбора Материал для исследований (листовые пластинки березы повислой) был собран в июле 20 011 года на двух участках, различающихся по степени техногенной нагрузки: около пруда в сквере на пересечении проспектов Любимого и Дзержинского (район Юго-Запада), и вблизи Минской кольцевой автодороги (50 м от дороги). Листовые пластинки были собраны у берёз, произрастающих в одинаковых климатических условиях (освещение, влажность, температура воздуха и осадки). 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.

2.4 Методика промеров, статистическая обработка данных Обработку материала удобно проводить в лаборатории. Весь собранный материал должен быть снабжён точной информацией о месте сбора, наличии вблизи возможного загрязнения, интенсивности движения транспорта, времени сбора и исполнителе. Хранить собранный материал можно не более недели на нижней полке холодильника.

Обработка заключается в измерении длин жилок на листьях справа и слева. На рисунке 3 цифрами обозначены листья следующих деревьев: 1 — берёзы, измеряется первая жилка от основания листа; 2 — тополя, первая жилка от основания листа; 3 — остролистного клёна, средняя жилка боковых пластин справа и слева; 4 — мать-и-мачехи, вторая жилка от основания черешка; 5 — клёна американского, первая жилка от основания черешка; 6 — сныти, первая жилка от основания черешка; 7 — клевера ползучего, первая жилка от основания черешка. Жилки измеряются курвиметром или линейкой с точностью до 1 мм. Интерес представляют не размеры жилок, а разница их длины справа и слева.

Рисунок 3 — Измерение длин жилок на листьях травянистых и древесных пород Рисунок 4 — Параметры промеров листьев для детального расчёта:

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[1].