Научно-исследовательская работа.

Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение средняя общеобразовательная школа № 4 города Чаплыгина

Научно - исследовательская работа:

Экологическое состояние хвойных растений на территории города Чаплыгина

Выполнил ученик

9 класса: Овчинников Иван Олегович.

Руководитель : учитель биологии

Тихомирова М.Н.

Оглавление:

1. Введение

2-Биологические особенности голосеменных растений

2.1 Биоэкологические особенности сосны обыкновенной

3-Влияние условий среды на жизнь и строение растений

4-Биоиндикационные методы

5- Заключение

6- Список литературы

7- Приложения

1. Введение

Проблема состояния окружающей природной среды является одной из наиболее актуальных и современных. До начала XX в. воздействие лю­дей на природу имело локальный характер, позднее оно стало глобальным. Наиболее отчетливо этот переход наметился в 50-е годы, со времени широкого использования атомной энергии и начала освоения космического про­странства. К этому времени на Земле почти не осталось районов, на кото­рых не сказывалась бы хозяйственная деятельность человека.

В условиях больших городов формируется совершенно иной комплекс условий, влияющих на отдельные виды и сообщества животных и растений.

Хвойные растения довольно часто применяются для озеленения горо­дов; они, как и другие виды растений, подвергаются неблагоприятному вли­янию (например, загрязнению атмосферы), но реагируют на это влияние довольно заметно.

Известно, что атмосфера на территории города Чаплыгина загрязнена. По­этому мы решили определить состояние хвойных растений для оценки за­грязненности атмосферы.

Объектом настоящего исследования явилась система оценки уровня загрязненности атмосферы в зависимости от биоиндикационных параметров сосны обыкновенной.

Предметом исследования явились биоиндикационные методы сопо­ставления устойчивости растений к антропогенным факторам окружа­ющей среды.

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

В соответствии с целью были поставлены конкретные задачи:

1. Провести диагностику состояния хвойных растений на территории города Чаплыгина.

2. Определить влияние антропогенных факторов на жизнь и строе­ние хвойных растений на территории города Чаплыгина.

3. Рекомендовать конкретные мероприятия, направленные на улуч­шение экологической обстановки в городе Чаплыгине.

Гипотеза: в качестве рабочей гипотезы было выдвинуто предложение о том, что экологическое состояние хвойных растений напрямую зависит от состояния атмосферного воздуха.

Практическое значение работы заключается в том, чтобы на нагляд­ном примере сосны обыкновенной продемонстрировать влияние антро­погенных факторов на строение и жизнь растений.

2.Биологические особенности голосеменных растений

Голосеменные - очень древние растения, останки которых находят в слоях девонского периода палеозойской эры. В настоящее время это преимущественно деревья (до 100 м высоты), кустарники, древовидные лианы и даже эпифиты. Травы представлены лишь одним видом - вильямсониеллой.

Ветвление голосеменных растений в основном моноподиальное, древе­сина почти целиком состоит из трахеид. Сосудов не имеется (исключение составляют гнетовые). У большинства голосеменных листья игловидные (хвоя) или чешуевидные, у немногих крупные часто рассеченные листья, по­хожи на вайи папоротников или листья пальм. Это преимущественно одно - дву - или многодомные растения. Корни (главный и боковые) имеют обыч­ное для деревьев строение с микоризой, придаточные корни встречаются очень редко (у примитивных представителей). Отличительной чертой всех голосеменных является наличие семязачатков и образование семени. Семя­зачатки располагаются открыто на мегаспорофиллах или на концах стеблей, поэтому они и называются голосеменными. Из семязачатка развиваются открыто лежащие семена. Семязачаток представляет собой мегаспорангий, интегументом семена содержат питательную ткань - эндосперм, при прорас­тании семядоли выносятся на поверхность и выполняют функции листьев.

В цикле развития последовательно происходит смена двух поколений гаметофита и преобладающего спорофита. Расцвет хвойных приходится на юрский период. Это самая многочисленная и наиболее распространенная группа голосеменных растений. Хвойные вечнозеленые растения за исклю­чением лиственницы и метасеквои. Они представлены в основном деревья­ми высотой от 10-15 до 100 м, древовидными, стланцами, кустарниками с моноподиальным ветвлением. Игловидные или конусовидные листья рас­полагаются на стебле по спирали (одиночные) или собраны в пучки, чешуе­видные супротивно.

У хвойных мощно развита вторичная ксилема (древесина), состоящая на 90-95 % из трахеид. Кора и сердцевина развиты слабо. Зародышевый первичный корень превращается, как правило, в мощный стержневой и функционирует всю жизнь. Часто развивается две формы корней - обычно удлиненные и сильноветвисто укороченные. Именно последние представляют собой микоризу. Корневые волоски локализованы в узкой зоне. У многих хвойных в коре, древесине и листьях есть смоляные ходы, содержащие эфирное масло, смолы и бальзамы.

Хвойные растения - однодомные, реже двудомные. Например, сосна - растение однодомное, мужские и женские шишки образуются на одном растении. В типичном случае она достигает высоты 50 м и живет до 400 лет. Спорообразование происходит на 30-40-м году жизни, но бывает и рань­ше.

Спорофиты собраны в шишки двух видов, резко отличающихся меж­ду собой: мужские представлены метельчатыми «соцветиями», женские - одиночные. Мужская шишка, имеющая эллипсовидную форму длиной 4-5 см, диаметром 3-4 см, образуется в пазухе чешуйки на месте укороченного побега и представляет собой побег с хорошо развитой осью (стержнем), на которой спирально расположены микроспорофиллы, редуцированные спороносные листья. Их можно рассматривать как гомологи тычинок по­крытосеменных. На микроспорофиллах с нижней стороны формируются микроспорангии (пыльники).

Женские шишки образуются на верхушках молодых побегов, они боль­ше по размерам и сложнее устроены. На главной оси в пазухах кроющих чешуек образуются толстые чешуи с двумя семязачатками на верхней сто­роне. Эти чешуи называют сменными.

Хвойные формируют природные ландшафты - тайгу - на огромных пространствах континентов. Их значение в жизни природы и в хозяй­ственной деятельности человека велико. Являясь важнейшим компонен­том биогеоценозов, они имеют огромное водоохранное и противоэро­зийное значение. Хвойные растения дают основную массу строительной древесины и являются исходным материалом для многоотраслевой ле­сотехнической промышленности. Из хвойных получают вискозу, шелк, штапель, бальзамы и смолы, камфару, спирт и уксусную кислоту, дубиль­ные экстракты и т. д., а также пищевые продукты и витамины. Семена некоторых араукарий, кедра, сибирской сосны содержат до 79 % масла, близкого к прованскому и миндальному. Для медицинской промыш­ленности хвойные служат исходным сырьем для получения не только витаминов, но и препарата «пинобина» (спазмолитическое средство).

Многие виды хвойных используют в народной медицине для лечения туберкулеза, нервных расстройств, болезней почек, мочевого пузыря, геморроя, глухоты, антиаллергическое средство. Хвоя и молодые побеги некоторых хвойных - незаменимый зимний корм лосей, хвоей питают­ся глухари, а семенами сибирского кедра питаются многие животные и птицы (как семенами и других хвойных). Ягоды можжевельника - корм тетеревов. Древесина тисовых используется для изготовления дорогих поделок и в мебельной промышленности, она почти не подвер­жена действию насекомых.

2.1 Биоэкологические особенности сосны обыкновенной

Род сосны включает около 100 видов произрастающих в странах умерен­ного пояса, а также горах южных широт. На территории СНГ имеется более 10 видов сосен. Этот род подразделяют на два подрода: двухвойные сосны с крылатыми семенами и пятихвойные или кедровые с бес­крылыми семенами. Подрод двухвойных включает сосны: обыкновенную, эльдарскую, пицундскую и др., подрод пятихвойных - кедр сибирский, сос­ну корейскую, кедровый стланик, сосну Веймутова.

Самый распространенный вид сосны, произрастающий в России, - сосна обыкновенная. Общими для этого вида чертами являются: парное распо­ложение хвои на укороченных побегах, плоско-выпуклая форма хвоинок в поперечном разрезе, крепкие деревянистые шишки с характерно утол­щенными концами чешуек, полуторагодичный период их созревания, свое­образное сочетание семени с крылом. Эти и другие признаки характерны для всех сосен, произрастающих в различных частях ее обширного ареала.

Сосна обыкновенная - дерево первой величины. Ее ствол в на­саждениях прямой, как правило, высоко очищен от сучьев. Деревья, вы­ращенные на свободе и опушках леса, имеют меньшую высоту, с низко расположенной кроной. В молодости крона у таких деревьев конусовид­ная, позже становится округленной и зонтиковидной, более плоской. Это объясняется тем, что с 40-50 лет рост осевого побега деревьев, растущих на свободе, значительно замедляется, а со 100-125 лет - прекращается. При­рост боковых побегов замедляется, и вследствие этого крона приобретает округлую или зонтиковидную форму. Кора в различных частях дерева от­личается по цвету и толщине. Нижняя часть дерева покрыта бороздчатой, красно-бурой корой. Верхняя часть ствола и крупные ветви - тонкой оранжевой отслаивающейся пленкой, а молодые сосны и тонкие ветви - гладкой серо-зеленой корой.

В Забайкалье и других районах Восточной Сибири с более сухим кли­матом, где могут возникнуть лесные пожары, кора у сосны имеет большую толщину, и объем у нее значительно больше, чем у сосен, произрастающих в европейской части Российской Федерации. В корневой части ствола, наи­более подверженной действию огня, толщина коры в 5-6 раз больше, чем на половине высоты дерева. Такая толстая кора способствует повышению устойчивости сосны к воздействию огня в период пожаров. Из всех древес­ных пород сосна и лиственница меньше всего страдают от пожаров.

Почки у сосны засмоленные, красновато-бурые, удлиненно-яйцевидные, острые, длина их 6-12 мм, располагаются на концах побегов мутовками.

Хвоя сизо-зеленого цвета расположена спирально, в пучках по две; в ос­новании окружена влагалищами из чешуи. С внутренней стороны она пло­ская, с наружной - выпуклая, жесткая, на верхушке заостренная, по краям мелкопильчатая. Устьица располагаются рядами на обеих сторонах хвои, но обильно на плоской. Длина хвои сосны колеблется от 2 до 8 см. В пределах кроны одного дерева разница в длине хвои составляет 2-3 см. Наибольшей длины хвоя достигает на побегах последних 6 лет и на осевом побеге. На северной части кроны длина хвои меньше, чем на южной.

По мере продвижения породы с севера на юг длина хвои возрастает. В ленточных борах Сибири и Казахстана преобладают сосны с длиной хвои бо­лее 6 см. В средней полосе Сибири встречаются сосны с длинной и средней

хвоей (45-60 мм). Популяции сосны с короткой и длинной хвоей произрас­тают севернее 62^е С.Ш.. В пределах одной природной зоны длинна хвои за­висит от типа леса. В центральных областях европейской части Российской Федерации в более производительных типах леса (сосняки-кисличники) длина хвои составляет 6-8 см, в менее производительных (сосняки сфарговые) всего 2-3 см.

3.Влияние условий среды на жизнь и строение растений

Все, что окружает растение и оказывает на него прямое или косвенное воздействие, составляет в широком смысле среду его обитания. Роль от­дельных элементов среды обитания в жизни растений неодинакова. Одни из этих элементов жизненно необходимы, другие влияют на растение, но не обязательны, третьи безразличны. Элементы среды обитания, влияющие на жизнь растений, называют экологическими факторами. Для них характер­но непостоянство, т.е. изменение величины действия во времени. Элемент среды, постоянно присутствующий в избыточных количествах, становит­ся средообразующим фактором, который определяет специфику среды в целом.

Характер действия любого экологического фактора зависит от его ве­личины. Существует оптимальное значение фактора и критическое (мини­мальная и максимальная его величины), за пределами которых активная жизнедеятельность. Многие растения, особенно эвритопные, в разных ус­ловиях обитания оказываются различными по ряду морфологических и анатомических признаков.

В процессе эволюции у растений, приспособившихся к сходным условиям, появились общие черты внешнего облика, ритма роста, анатомической струк­туры. Однотипность реакций растений на тот или иной экологический фак­тор позволяет объединить их в экологические группы. Каждая экологическая группа может включать растения разных жизненных форм. С другой сторо­ны, растения одной и той же жизненной формы могут относиться к разным экологическим группам.

Условия произрастания разновозрастных растений часто неодинаковы, следовательно, экземпляры одного и того же вида, находясь на разных эта­пах онтогенеза, могут представлять разные экологические группы и жиз­ненные формы. Проростки деревьев и кустарников, обитая в нижних ярусах леса, живут в иных условиях освещения и увлажнения, чем взрослые рас­тения.

4.Биоиндикационные методы

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 (По Виноградову).

Сильнейшее воздействие на фитоценозы (фитоценоз - растительное со­общество, характеризующееся относительной однородностью видового со­става) оказывают загрязняющие вещества, такие, как диоксид серы, оксид азота, углеводороды и другие. Среди них наиболее типичным является ди­оксид серы, образующийся при сгорании серосодержащего топлива (работа предприятий теплоэнергетики, котельных, отопительных печей населения, а также транспорта, особенно дизельного).

Устойчивость растений к диоксиду серы различна. Незначительное на­личие диоксида серы хорошо диагностируется лишайниками - сначала ис­чезают кустистые, потом листовые и, наконец, накипные формы.

Из высших растений повышенную чувствительность к S0₂имеют хвойные. Устойчивы к загрязнению бересклет, бирючина. Для ряда рас­тений установлены границы жизнедеятельности и предельно допустимые концентрации диоксида серы в воздухе. Величины ПДК: для тимофеевки луговой, сирени обыкновенной - 0,2 мг/куб. м; барбариса - 0,5 мг/куб. м.; смородины золотистой - 1,0 мг/куб. м; клена ясенелистного - 2,0 мг/куб. м. Необходимо также учитывать, что происходит постепенное накопление диоксидов серы, а также их взаимодействие с другими загрязнителями, что усиливает негативное воздействие.

к содержанию в воздухе других загрязнений (например: хлороводорода, фтороводорода) такие растения как пшеница, пихта, ель, земляника садовая, береза бо­родавчатая.

Стойкими к фтороводорода в воздухе являются хлопчат­ник, одуванчик, картофель, роза, табак, томаты, виноград, а к хлороводороду - крестоцветные, зонтичные, тыквенные, гераневые, гвоздичные, вересковые, сложноцветные. Считается, что для условий лесной полосы России наиболее чувствительны к загрязнению воздуха сосновые леса. Это обуславливает выбор сосны, как важнейшего индикатора антропогенного влияния, принимаемого в настоящее время за «эталон биодиагностики». Информативными по техногенному загрязнению являются морфологиче­ские и анатомические изменения, а также продолжительность жизни хвои. При хроническом загрязнении лесов диоксидом серы наблюдаются повреж­дение и преждевременное опадание хвои.

В незагрязненных лесных экосистемах основная масса хвои здорова, не имеет повреждений, и лишь малая часть хвоинок имеет светло-зеленые пят­на и некротические точки микроскопических размеров, равномерно рассеянные по всей поверхности. В загрязненной атмосфере появляются по­вреждения и снижается продолжительность жизни хвои сосны.

Под действием загрязнителей происходит подавление репродуктивности сосны. Число шишек на дереве снижается, уменьшается число нормально развитых семян в шишках, заметно изменяются размеры женских шишек (до 15-20 %), Биоиндикатором загрязненности атмосферы может служить ежегодный прирост деревьев по высоте, который на загрязненных участках может быть на 20-60 % ниже, чем на контрольных. Информативной по тех­ногенному загрязнению является продолжительность жизни хвои (от 1 до 5 и более лет).

5. Заключение

Все, что окружает растение и оказывает на него прямое или косвенное воздействие, составляет среду его обитания. В условиях города эти условия можно назвать экстремальными с точки зрения пригодности их для нор­мального роста и жизнедеятельности растений. Хвойные, а именно сосна обыкновенная, наиболее чувствительны к загрязнению воздуха.

В результате проделанной работы анализа литературных источников, мы изучили биологические и экологические особенности хвойных растений на примере сосны обыкновенной и убедились, что она может быть объектом индикации состояния атмосферного воздуха в условиях города.

В дальнейшем мы планируем, используя специальные методики биоин­дикации, проводить оценку качества атмосферного воздуха на территории Чаплыгина.

Выводы:

1.После проведения диагностики была выявлена следующая законо­мерность: состояние атмосферного воздуха в городе Чаплыгине, по моему мнению, наиболее благоприятное в районе Заречья. Изучались две сосны: одна с территории д /с «Сказка», другая с Зареченского парка. По анализу растений, можно сделать вывод, что данная территория слабо загрязнена.

2.Действительно антропогенные факторы влияют на жизнь и стро­ение хвойных растений, так как мною была выявлена закономерность - чем растение ближе расположено к центру города, тем хуже его внеш­нее состояние. Может быть это связано с увеличением количества транспорта именно в центре города, а также с близким расположением к парку автомобильной магистрали. Я предполагаю, что наиболее загрязнённой территорией из мною обследованных, является район бывшей конторы ПЧ № 22, расположенной на улице Фридриха Энгельса. Я думаю, что это связано с близостью расположения к этому месту Чаплыгинского крахмального завода. Возможно, что выбросы этого предприятия содержат высокое количество вредных веществ.

3 Для поддержания экологической обстановки в городе Чаплыгине ре­комендуется: уменьшить транспортную нагрузку, отследить количество вредных выбросов в атмосферу предприятиями, увеличить число насаждений в черте города.

6.Список литературы

1. Виноградов Б. В. Растительные индикаторы и их использование при изучении природных ресурсов. - М: Высшая школа» 1964.

2. Ломаева С. Н. Биоиндикация загрязнений окружающей среды. - Тю­мень, 1998

3. Миркин, Б. М., Наумова Л. Г Экология России. - М.: 1995. -168 с.

4. Пономарева И. Н. Экология растений с основами биогеоценологии - М: Просвещение, 1978. -207 с.

5. ГОСТ 17.2.4.05 - 83. Гравиметрический метод определения взвешенных частиц пыли.

6. Дьяченко Г.И. Мониторинг окружающей среды (Экологический мо­ниторинг) Новосибирск. - 2003.

7. Ашихмина Т.Я. и др . Биоиндикация и биотестирование - методы познания экологического состояния окружающей среды. - Киров, 2005.

Приложение 1

ПДК некоторых загрязняющих веществ в атмосферном воздухе для растений и человека (по В. С. Николаевскому, 1988), мг/м³

Для человека приведены ПДК максимально разовые

Приложение 2

Тест для определения уровня загрязнения атмосферы по состоянию хвои сосны обыкновенной

Определение состояния хвои сосны обыкновенной для оценки загрязненности атмосферы

В незагрязненных лесных экосистемах основная масса хвои сосны здорова, не имеет повреждений, и лишь малая часть хвоинок имеет свет­ло-зеленые пятна и некротические точки микроскопических размеров, равномерно рассеянные по всей поверхности. В загрязненной атмосфере появляются повреждения и снижается продолжительность жизни хвои сосны.

Методика индикации чистоты атмосферы по хвое сосны состоит в следующем. С нескольких боковых побегов в средней части кроны 5-10 деревьев сосны в 15-20-летнем возрасте отбирают 200-300 пар хвоинок второго и третьего года жизни.

Анализ хвои проводят в лаборатории. Вся хвоя делится на три части (неповрежденная хвоя, хвоя с пятнами и хвоя с признаками усыхания), и подсчитывается количество хвоинок в каждой группе. Данные заносятся в рабочую таблицу с указанием даты отбора проб на каждом ключевом участке. Делается вывод о степени загрязнения атмосферы.

Если сосновые иголки без пятен, воздух считают идеально чистым; если хвоинки с редкими мелкими пятнами, воздух чистый. Если имеют­ся хвоинки с частыми мелкими пятнами, можно говорить о загрязнен­ном воздухе, а при наличии 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.

Мы взяли пробы хвои сосны обыкновенной на территории города Чаплыгина:

1. Район Заречья территория детского сада « Сказка»;

2. Центральный городской парк;

3. Улица Фридриха Энгельса бывшая контора ПЧ № 22.

Приложение 3

Анатомические особенности хвои из районов с разным уровнем загрязнения

При рассмотрении микропрепаратов поперечного среза хвои сосны, собранной из районов, контрастных по уровню загрязнения, было обна­ружено, что хвоя из загрязненного района имеет некоторые отличия.

Ее кутикула сильно повреждена, имеет бугристую, а не ровную, как у хвои из слабозагрязненных районов, поверхность; устьичные камеры содержат инородные частички (пыль); секреторные клетки смоляных хо­дов увеличены, что, вероятно, связано с более активным выводом токсических веществ, попадающих в хвою через устьица и накапливающихся в клетках складчатой паренхимы, из которых они, в свою очередь, попа­дают в секреторные клетки;оболочки клеток эндодермы сильно утолще­ны, что можно объяснить барьерной функцией эндодермы между вну­тренней и периферической частями хвои, отвечающей за избирательный транспорт веществ к проводящим пучкам, что позволяет накапливать токсиканты в складчатой паренхиме и избавляться от них путем частич­ной дефолиации, не допуская их широкого распространения по всему растению. Хвоя из слабозагрязненного района по своему внутреннему строению не отличается от контрольной, для хвои из малозагрязненного района отмечено только увеличение толщины кутикулы.

Определение состояния генеративных органов сосны обыкновенной

(обследование шишек сосны)

Под действием загрязнителей происходит подавление репро­дуктивной деятельности сосны. Число шишек на дереве снижается, уменьшается число нормально развитых семян в шишках, заметно уменьшаются размеры женских шишек (до 15-20 %).

Для проведения исследования в осеннее или зимнее время на клю­чевом участке отбирают 100-200 шишек (по 10 шишек с 10-20 деревьев 30-40-летнего возраста) и определяют их линейные размеры штанген­циркулем, мерной лентой или полоской миллиметровой бумаги.

Полученные данные вносят в рабочую тетрадь, подсчитывают сред­ние для ключевого участка длину и диаметр шишек и заносят данные в таблицу.