Почему хвойные деревья менее устойчивы к загрязнению воздуха чем лиственные
Почему хвойные деревья менее устойчивы к загрязнению воздуха чем лиственные
СОСНА КАК ИНДИКАТОР ЗАГРЯЗНЕНИЯ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ.
Автор работы награжден дипломом победителя II степени
Роль зеленых насаждений очень велика. Они снижают запыленность и загазованность воздуха, выполняют ветрозащитную функцию, обладают фитонцидным действием, борются с шумом, влияют на тепловой режим и влажность воздуха. На Земле примерно 350 миллионов лет назад появились первые деревья. Огромные территории были покрыты лесом, но затем значительная их часть была уничтожена людьми. Лес – сложное природное образование (биоценоз). В состав его входят не только живые организмы, но и их среда обитания – почвенно-грунтовый слой, атмосфера. Лес в наши дни испытывает на себе сильное влияние со стороны человека. Это влияние очень разнообразно. Тут сплошные рубки, пожары, массовый туризм, выпас скота, загрязнение атмосферы ядовитыми газами.… А как реагирует лес на это? Какие изменения в нём происходят? Насколько они опасны для существования леса? Вмешательство человека в жизнь леса нельзя остановить. Оно неизбежно и будет продолжаться, но всем надо стремиться к тому, чтобы причинять лесу наименьший вред. Что для этого нужно? Важную роль в жизни леса играет слой атмосферы, в котором развиваются лесные растения и другие живые организмы, без этого нельзя представить себе леса. Атмосфера служит источником углекислого газа, кислорода и пополняется кислородом, выделяемым растениями, и углекислым газом, образующимся в процессе дыхания. В него поступают вещества, жизненно важные для обитателей леса, и из него эти вещества вновь поглощаются растениями и животными. Эта система называется лесным биогеоценозом. Загрязнение атмосферы причиняет биогеоценозу большой вред. Главный враг леса – диоксид серы или иначе сернистый газ. Больше всего от него страдают сосновые леса. Сосновые насаждения – очистители воздуха от пыли, что зависит от хвои, её количества и поверхности. У хорошо развитого взрослого дерева сосны общая длина хвоинок превышает 200км. Этим определяется высокая фильтрующая способность дерева [4].
Тема нашей работы – «Сосна как индикатор загрязнения окружающей среды». Мы считаем эту тему актуальной на сегодняшний день, так как сохранение качества окружающей среды и здоровья населения находится в числе самых острых проблем современности.
Еще актуальность такой работы и в том, что зачастую достоверная информация недостаточна, требуется уточнение и поиск новых фактов. Цель исследования– определение состояния хвои сосны обыкновенной для оценки загрязнённости атмосферы
Изучить литературу по теме исследования
Изучить состояние хвои сосны обыкновенной на разных участках города: вдоль федеральной трассы М5, лесопарковой зоны, около промышленной зоне, в районе озера Тургояк.
Проанализировать и обобщить результаты исследований
На основе полученных данных сделать вывод
Мы выдвинули гипотезу: сосну обыкновенную можно использовать в качестве биоиндикатора для оценки загрязнённости атмосферы.
Объектом исследования явились хвоинки сосны обыкновенной.
Предмет исследования – уровень загрязненности.
Исследовательская работа разделяется на две части: теоретическую и практическую. В теоретической части мы изучили характеристику голосемянных растений, в том числе сосны обыкновенной.
В практической части использовали опытно-экспериментальные методы исследования: эксперимент, наблюдение, теоретический анализ, по результатам которых нами были сделаны соответствующие выводы.
Глава 1. Теоретическое обоснование проблемы
Голосеменные растения. Общая характеристика
В состав отдела Голосеменных входят несколько классов, из которых ныне процветающим является класс хвойные (около 560 видов). Голосеменные растения в основном произрастают в северной части земного шара. Хвойные образуют огромные лесные массивы на Урале, в горах Кавказа, Средней Азии, в Сибири.
Голосеменные очень древние растения, останки которых находят в слоях девонского периода палеозойской эры. Расцвет хвойных приходится на юрский период. Это самая многочисленная и наиболее распространенная группа голосеменных растений. В настоящее время это преимущественно деревья (до 100м высоты), кустарники, древовидные лианы и даже эпифиты.
В цикле развития последовательно происходит смена двух поколений гаметофита и преобладающего спорофита. Хвойные вечнозеленые растения, за исключением лиственницы и метасеквойи. У многих хвойных в коре, древесине и листьях есть смоляные ходы, содержащие эфирное масло, смолы и бальзамы [5].
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. Изхвойных получают вискозу, шелк, штапель, бальзамы и смолы, камфару, спирт и уксусную кислоту, дубильные экстракты и т.д., а также пищевые продукты и витамины. Семена кедра, сибирской сосны содержат до 79% масла, близкого к прованскому и миндальному. Для медицинской промышленности хвойные служат исходным сырьем для получения витаминов и медицинских препаратов. Хвоя, семена и молодые побеги некоторых хвойных – незаменимый зимний корм животных(особеннолосей), и птиц. Древесина тисовых используется для изготовления дорогих поделок и в мебельной промышленности, она почти не подвержена действию насекомых.
Сосна обыкновенная как представитель голосеменных растений
Родовое название – от латинского pin – скала, гора, латинское selvestris – лесной от sylva – лес [10].
Этот род подразделяет на два подрода: двухвойные сосны с крылатыми семенами (Diploxylon) и пятихвойные, или кедровые, с бескрылыми семенами (Haploxylon). Подроддвухвойных включает сосны обыкновенную, эльдарскую, пицундскую и другие; подродпятихвойных – кедр сибирский, сосну корейскую, сосну веймутову.
Самый распространенный вид сосны, произрастающий в России – сосна обыкновенная (Pinussilvestria). Общими для этого вида чертами являются парное расположенные хвои на укороченных побегах, плоско-выпуклая форма хвоинок в поперечном разрезе, крепкие деревянистые шишки с характерно утолщенными концами чешуи, полуторагодичный период их созревания, своеобразное сочетание семени с крылом и другие. Эти признаки характерны для всех сосен, произрастающих в различных частях ее обширного ареала.
Вся древесина сосны пронизана многочисленными крупными смоляными ходами, тянущиеся в вертикальном направлении и сообщающимися между собой горизонтальными ходами, залегающими в сердцевинных лучах. Из естественных трещин коры и искусственных надрезов вытекает смола, заливающая нанесенные повреждения, в чем состоит ее биологическое значение. Вытекающая из раны смола называется живицей (от слов «заживлять», «исцелять»).
Корневая система с глубоко идущим главным корнем.
Листья (хвоя) сизо-зеленные, расположены попарно, жесткие, полуцилиндрические, заостренные, длинной 5-7см. шириной 2мм, расположены на верхушках укороченных побегов.
Серо-желтые пыльниковые (мужские) шишки размером меньше горошины развиваются весной у основания молодых длинных побегов, в пазухах кроющих листьев, и быстро отмирают. На концах молодых побегов тех же деревьев появляются красноватые овальные женские шишечки, длинной 5-6мм и шириной 4мм, на коротких ножках, состоящие из кроющих чешуй, в пазухах которых сидят семенные чешуи с семяпочками. Женские шишки после оплодотворения разрастаются, достигают 2,5-7см в длину и 2-3см в ширину. В первый год они зеленые, на второй – одревесневают и буреют. Семена длиной 3-4мм, черноватые или сероватые, удлиненно-яйцевидные с крылом в 3 раза длиннее семени. Цветет в мае, опыляется ветром. Семенные шишки созревают на второй год.
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, то есть изменения 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, 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 относится к разным экологическим группам.
Биоиндикационные методы
Сильнейшее воздействие на фитоценозы 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, a 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 SO2 имеют хвойные. Для ряда растений установлены границы жизнедеятельности и предельно допустимые концентрации диоксида серы в воздухе. Величины ПДК: для тимофеевки Луговой, сирени обыкновенной – 0,2мг/куб.м.; барбариса 0,5мг/куб.м.
Необходимо также учитывать, что происходит постепенное накопление диоксидов серы, а также их взаимодействие с другими загрязнителями, что усиливает негативное воздействие. Чувствительны к содержанию в воздухе других загрязнений (например, хлороводорода, фтороводорода) такие растения, как пшеница, пихта, земляника садовая, береза бородавчатая.
Стойкими к содержанию 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 чувствительными 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 является морфологические и анатомические изменения, а также продолжительность жизни хвои. При хроническом загрязнении лесов диоксидом серы наблюдается 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 (1 до 5 и более лет).
Биоиндикация – это оценка состояния окружающей среды по реакции живых организмов (растения, животные). Сущность биоиндикации заключается в том, что определенные факторы среды создают возможность существования того или иного вида. Виды, которые позволяют выявить специфические особенности среды, называют индикаторами. Биоиндикация дает возможность судить об изменениях состояния среды и прогнозировать направление этих изменений. При изучении степени загрязнения окружающей среды важна реакция организмов на загрязнители. Систему наблюдений за этой реакцией называют биологическим мониторингом. Хвойные растения очень чувствительны к загрязнению среды. Они особенно сильно страдают от сернистого газа. Продолжительность жизни хвои у сосны составляет 3-4 года. За это время она накапливает такое количество сернистого газа, которое может существенно превысить пороговые значения[8].
Под влиянием сернистого газа у сосны происходят следующие изменения:
— уменьшается продолжительности жизни хвои;
— появляются омертвления тканей (некрозы).
Остановимся на этих признаках.
Листопад (опадение хвои) у сосны происходит осенью. Зеленые хвоинки располагаются на прошлогодних побегах и этого года, а желтые на более старых, которым уже более 3 лет. Также у сосны редеет крона, появляется много сухих веток, покрытых редкой короткой хвоей. Сернистый газ поглощается растением через устьица, растворяется в жидкой фазе клеток (цитоплазме) и вызывает отравление живых тканей (Схема №1).
Скорость поступления фитотоксиканта (природное или химические вещество, поражающее растительность) сильно зависит от влажности воздуха и насыщенности листьев водой. Увлажненные хвоинки поглощают сернистый газ в несколько раз больше, чем сухие. Растение интенсивно накапливает в тканях серу. Молодые хвоинки активнее поглощают сернистый газ, чем старые. Поэтому возраст сосновой хвои указывает на степень загрязнения. При концентрации сернистого газа 1:1000000 хвоя сосны опадает. Фотосинтез полностью прекращается. Появление омертвления тканей (некрозов) чаще проявляется на хвоинках сосны под влиянием загрязняющих веществ. Различают следующие виды некрозов:
краевой некроз (по краям хвоинки);
серединный некроз (середина хвоинки);
точечный некроз – отмирание тканей листа в виде пятен, рассыпанных по всей поверхности хвоинки.
Изреживание кроны происходит в результате обезлиственности или обесхвоенности (дефолиации), когда воздействие загрязняющих веществ (в том числе и сернистый газ) приводит к разрушению верхней части дерева.
Существует удобный способ определения возраста хвои с помощью мутовок.
Часто задают вопрос: «Почему для оценки качества среды приходится использовать живые объекты, когда это проще делать физико-химическими методами? Есть три случая, когда биоиндикация (определение биологически значимых нагрузок на основе реакций на них живых организмов и их сообществ) незаменима:
1. Фактор не может быть измерен.
2. Фактор трудно измерить.
3. Фактор легко измерить, но трудно интерпретировать, т.е. разъяснить, растолковать.
С точки зрения охраны природы, важнее получить ответ на вопрос, к каким последствиям приведет та или иная концентрация загрязнителя в среде. Эту задачу и решает биоиндикация, позволяя оценить биологические последствия антропогенного изменения среды. Актуальность биоиндикации обусловлена также скоростью, простотой и дешевизной определения качества среды.
Биоиндикаторы – это биологические объекты, используемые для оценки состояния среды [3].
1. Чувствительный. Быстро реагирует значительным отклонением показателей от нормы.
2. Аккумулятивный. Накапливает воздействия без проявляющихся нарушений. Биоиндикаторы описывают с помощью двух характеристик: специфичность и чувствительность.
При низкой специфичности биоиндикатор реагирует на разные факторы, при высокой специфичности только на один.
При низкой чувствительности биоиндикатор отвечает только на сильные отклонения фактора от нормы, при высокой чувствительности отвечает на незначительные отклонения.
Чувствительность населения к действию загрязнения атмосферы зависит от большого числа факторов, в том числе от возраста, пола, общего состояния здоровья, питания, температуры и влажности и т.д. Лица пожилого возраста, дети, больные, страдающие хроническим бронхитом, коронарной недостаточностью, астмой, являются более уязвимыми.
Общая схема реакции организма на воздействие загрязнителей ОС по данным Всемирной организации здравоохранения (ВОЗ) имеет следующий вид (Приложение 1):
Проблема состава атмосферного воздуха и его загрязнения от выбросов автотранспорта становится все более актуальной.
Среди факторов прямого действия (все, кроме загрязнения окружающей среды) загрязнение воздуха занимает, безусловно, первое место, поскольку воздух – продукт непрерывного потребления организма.
Одним чрезвычайно вредным компонентом автомобильных выхлопов является свинец. Этотэлемент наиболее токсичен. Ежегодно в атмосферу выбрасывается около 200 тысяч тонн свинца.
Оксиды свинца накапливаются в организме человека, попадая в него через животную и растительную пищу. Свинец и его соединения относятся к классу высокотоксичных веществ, способных причинить ощутимый вред здоровью человека. Свинец влияет на нервную систему, что приводит к снижению интеллекта, а также вызывает изменения физической активности, координации, слуха, воздействует на сердечно-сосудистую систему, приводя к заболеваниям сердца. Свинцовое отравление (сатурнизм) занимает первое место среди профессиональных интоксикаций [8].
В настоящее время установлено, что на атмосферное загрязнение воздуха более остро реагируют хвойные породы, по сравнению с лиственными. Повышенная чувствительность хвойных связана с длительным сроком жизни хвои и поглощением газов, а также со снижением массы хвои. При частых или постоянных воздействиях в тканях хвойных растений постепенно накапливаются токсичные соединения, что приводит к отмиранию хвои. В нормальных условиях хвоя сосны опадает через 3-4 года, вблизи источников атмосферного загрязнения – значительно раньше (через 1-2 года).
Сосновые леса наиболее чувствительны к загрязнению воздуха, особенно к выхлопным газам автомобилей, а также выбросам веществ в воздух предприятиями и АЗС. В связи с этим перед нами стояла задача: оценить степень загрязнения воздуха на четырех участках, различных по степени загруженности автотранспортом и расположению к предприятиям города.
Методика проведения исследования подразделялась на 3 этапа:
1 этап – определение участков проведения работы,
2 этап – определение состояния хвои сосны, обработка данных,
3 этап – определение продолжительности жизни хвои сосны, обработка данных.
1 этап. Определили участки проведения работы.
Было выбрано 4 участка вблизи автодорог, которые находились в зонах, контрастных по уровню атмосферного загрязнения:
Участок №1 –Тургоякское шоссе в 50 метрах от поворота на ГРЦ «КБ им. В.П.Макеева» (Приложение 2).
Участок №2 – в черте г.Миасса объездная дорога в районе предприятий «Кедр» и ЗАО «Техсервис» между двух АЗС (Приложение 3)
Участок №3 – п. Тургояк, дорога в лагерь «Космос» в лесной зоне (250 м. от дороги в глубь леса) (Приложение 4)
Участок №4 – федеральная трасса М5, район «Пекинка» в 2,5 км от южной части г. Миасса (Приложение 5)
этап. Методика исследования «Определение состояния хвои сосны обыкновенной для оценки загрязненности атмосферы»
Цель: Используя метод визуальной и количественной оценки, определить состояние хвои сосны обыкновенной (Рinussilvestris) для оценки загрязненности атмосферы.
Оборудование: хвоя сосны, цифровой микроскоп, калькулятор, компьютер.
В незагрязненных лесах основная масса хвои сосны здорова, не имеет повреждений, и лишь малая часть хвоинок имеет светло-зеленые пятна и небольшие темные точки, рассеянные по хвоинкам. В загрязненной атмосфере появляются повреждения и снижается продолжительность жизни хвоинок.
Для определения степени чистоты атмосферы с нескольких боковых побегов в средней части кроны с 10-15 деревьев берут 200-300 хвоинок второго-третьего года жизни. Собранные хвоинки делят по признакам повреждения: неповрежденные, с пятнами, спризнаками усыхания, и подсчитывают количество хвоинок в каждой группе и по каждому исследуемому участку. Данные исследования заносят в таблицу. Делается вывод о степени загрязнения атмосферы.
Если сосновые иголки без пятен, воздух считается 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 [9].
3 этап.Определили состояние хвои сосны.
Выявили степень повреждения хвои
С ветвей 4 деревьев отобрали побеги одинаковой длины. С них собрали всю хвою и визуально проанализировали её состояние. Степень повреждения хвои определяли по изменению окраски, в том числе наличию хлоротичных пятен, некротических точек, некрозов (Приложение 6).
Рис.1. Класс повреждения и усыхания хвои
Класс повреждения хвои:
1 – хвоинки без пятен,
2 – хвоинки с небольшим числом пятен,
3 – хвоинки с большим числом чёрных и жёлтых пятен, некоторые из них крупные, во всю ширину хвоинки.
Класс усыхания хвои:
1 – нет сухих участков,
2 – усох кончик 2-5 мм,
3 – усохла треть хвоинки,
4 – вся хвоинка жёлтая или более половины её длины сухая.
Результаты подсчетов занесены в таблицу.
Состояние хвои
Участок №1Тургоякское шоссе
Участок №2Объездная дорога
Участок №3
п. Тургояк, дорога в лесной зоне
Участок №4федеральная трасса М5, район «Пекинка»
Кол-во
хвоинок
% хвоинок от общего кол-ва
Кол-во хвоинок
% хвоинок от общего кол-ва
Кол-во
хвоинок
% хвоинок от общего кол-ва
Кол-во хвоинок
% хвоинок от общего количества
Почему хвойные деревья менее устойчивы к загрязнению воздуха чем лиственные
Дайте краткий ответ на вопрос. Учёные установили, что хвойные деревья (ель, сосна) менее устойчивы к загрязнению воздуха промышленными газами, чем лиственные деревья. Объясните, в чём причина этого явления.
1) В листьях оседают различные вредные вещества.
2) У лиственных растений листья опадают ежегодно, а с ними удаляются вредные вещества, у хвойных растений листья живут 3—5 и более лет, поэтому вредные вещества не удаляются и ведут к отравлению организма.
Первый пункт, есть переформулировка самого вопроса. А второй пункт следовало бы разделить на два в качестве аргумента.
Ответ составлен правильно, важно указать, что вред. вещества оседают на листьях(отсюда станет понятно, почему во втором пункте вы говорите именно про листья). И затем, как следствие, ответ почему хвойные менее устойчивы.
В задании написано про газы, разве газы могут оседать на листья? На листья оседают ЧАСТИЦЫ вредных промышленных веществ, в задании же про это не сказано, почему это есть в ответе?
Газы проникают через устьица и накапливаются в тканях листа, но в виде смога могут и сверху оседать
Окраска шерсти зайца-беляка изменяется в течение года: зимой заяц белый, а летом серый. Объясните, какой вид изменчивости наблюдается у животного и чем определяется проявление данного признака.
1) у зайца наблюдается проявление модификационной (фенотипической, ненаследственной) изменчивости;
2) проявление данного признака определяется изменением условий среды обитания (температура, длина дня).
На мой взгляд это скорее онтогенетическая изменчивость. Т.К. Онтогенетической изменчивостью называют ЗАКОНОМЕРНЫЕ изменения организма, произошедшие в ходе его онтогенеза. При онтогенетической изменчивости генотип остается неизменным. Поэтому такую изменчивость относят к ненаследственной. Однако все онтогенетические изменения предопределены наследственными свойствами (генотипом), которые часто изменяются в ходе онтогенеза. В результате появляются новые свойства в генотипе. Это приближает онтогенетическую изменчивость к наследственной. Поэтому онтогенетическая изменчивость занимает промежуточное положение между наследственной и ненаследственной изменчивостью.
Задания ЕГЭ составляются по школьной программе, я понимаю, что многие преподаватели ВУЗов критикуют школьных учителей и сам экзамен в его «ненаучности», но тем не менее.
Термина «онтогенетическая изменчивость» нет ни в одном из вариантов школьной программы по биологии.
На счёт второго пункта: можно ли сказать, что смена окраски нужна ещё и для маскировки?Зимой-белый, потому что так легче спрятаться от хищников. Аналогично и для летней окраски шерсти.
Ваш вариант не соответствует заданному вопросу.