Построение карты загрязнения пылью определенной территории

Полученные данные по запыленности листьев в разных эколо­гических условиях выписывают на доску, сравнивают с контролем (принимается за 100%). Берут примерную карту района или участ­ка города, на нее наносят данные по загрязнению листьев, сходные по степени загрязнения участки соединяют изолиниями. Раскраши­вают разными карандашами: красный - зона наибольшего загряз­нения, оранжевый - сильного, розовый - среднего, слабо розовый - слабого и зеленый - чистая зона.

Лабораторная работа № 11.

Определение состояния окружающей среды в прошлые годы по радиальному приросту древесных растений

Радиальный прирост древесных растений очень хорошо отра­жает факторы среды. Он относится к неспецифическим призна­кам (прирост одинаково реагирует на разнообразные факторы: солнечную активность, влажность почвы, ее плодородие, засоле­ние, температуру, влажность воздуха и др.). По спилу можно про­следить все серьезные экологические изменения в течение жизни дерева. При изучении прироста одной и той же породы деревьев в одинаковых условиях климата и почв и при достаточной повторности (не менее 25 деревьев) этот показатель может быть доста­точно четким индикационным признаком состояния среды в предыдущие годы.

Годичные кольца нарастают каждый вегетационный период в результате периодической деятельности камбия и состоят из двух частей: ранней древесины (более светлая, откладывается в первую половину вегетации) и поздней (более темная, откла­дывается во вторую половину вегетации). В ранней древесине больше водопроводящих элементов, в поздней - механических. Годичные кольца хорошо видны у хвойных и лиственных кольцесосудистых пород (дуб, ясень и др.). У рассеяинососудистых (береза, осина) они плохо видны. Откладывание различных го­дичных колец древесины характерно для зон с хорошо выражен­ными сезонами года. Во влажных тропиках, где зима и лето по сумме осадков и температурам почти не различаются, заметных годичных колец нет.

При изучении прироста по годам могут наблюдаться следую­щие явления: уменьшение или увеличение ширины годичных ко­лец, их выпадение (полное или частичное), неравномерное отложение древесины по странам света или в связи с условиями среды (большее нарастание древесины в сторону более благопри­ятных условий). При взятии образцов в разных районах Земли ве­личина прироста древесины является весьма специфическим биоиндикатором прохождения циклов солнечной активности, слу­жит для диагностики климатов прошлых лет, особенно в случаях, когда для анализа берутся древесные породы с долгим периодом жизни. Это направление науки называется «дендрохронология».

Оборудование и материалы

1) острый нож, скальпель; 2) измерительные лупы с ценой деле­ния ОД мм; 3) миллиметровка; 4) круглые спилы древесины хвой­ных или лиственных кольцесосудистых (дуб, ясень) пород с корой, взятые из нижней части стволов деревьев в разных условиях произ­растания. Предварительно на них помечают страны света, а также расположение относительно сторон дерева автомобильной дороги, лесного массива, оврага, балки, завода и других местных объектов.

Можно использовать также образцы древесины с годичными кольцами, взятые приростным буравом (керны) от внешних слоев до внутренних. Использование приростного бурава особенно жела­тельно при проведении дипломных и научно-исследовательских работ, т.к. это исключает гибель и порчу деревьев при большом ко­личестве материала и обеспечивает достаточную повторность. Про­сверленное отверстие надо заделывать кусочком пластилина, смолы.

Ход работы

На круговых спилах зачищают древесину в виде бороздок по направлению от края к центру (круглым напильником). Подсчиты­вают возраст дерева по годичным кольцам. Измеряют ширину го­дичных колец, пользуясь измерительной лупой. В случае отсутствия измерительной лупы можно пользовать­ся миллиметровкой, однако измерения будут менее точными. В учебных целях можно пользоваться постоянными зара­нее приготовленными спилами, которые следует отполировать и покрыть лаком (кольца хорошо видны), так как заготов­ка спилов в естественных условиях тре­бует специального разрешения лесных организаций, особенно в пределах зеле­ных зон городов.

Следует отметить, что в северных ус­ловиях и в средней полосе годичные кольца обычно шире с южной стороны чем с северной, в южных засушливых районах – часто наоборот. Но если, например, с южной стороны дерева недавно проложена автодорога, то это может отразиться уже на приросте следующего года, что сразу будет видно на спиле.

Строят графики роста дерева в толщину по годам в зависимости от стран света и экологических условий: выдвигаются различные гипотезы изменчивости роста дерева по годам. График строят сле­дующим образом. По горизонтали размещают хронологическую шкалу - последовательный ряд лет, составляющих возраст дерева. По вертикали откладывают ширину годичных колец в мм. Полу­ченная кривая отражает изменения годичного прироста по конкрет­ным годам и выявляет аномалии этого процесса, обусловленные экологическими факторами (выяснить какими?).

Лабораторная работа № 12.

Определение состояния окружающей сре­ды по комплексу признаков у хвойных

Известно, что на загрязнение среды наиболее сильно реаги­руют хвойные древесные растения. Характерными признаками неблагополучия окружающей среды и особенно газового состава атмосферы служат появление разного рода хлорозов и некрозов, уменьшение размеров ряда органов (длины хвои, побегов теку­щего года и прошлых лет, их толщины, размера шишек, сокраще­ние величины и числа заложенных почек). Последнее является предпосылкой уменьшения ветвления. Ввиду меньшего роста побегов и хвои в длину в загрязненной зоне наблюдается сбли­женность расстояния между хвоинками (их больше на 10 см по­бега, чем в чистой зоне). Наблюдается утолщение самой хвои, уменьшается продолжительность ее жизни (1-3 года в загрязнен­ной зоне и 6-7 лет - в чистой). Влияние загрязнений вызывает также стерильность семян (уменьшение их всхожести). Все эти признаки не специфичны, однако в совокупности дают довольно объективную картину.

Хвойные удобны тем, что могут служить биоиндикаторами круг­логодично. В лесоведении давно разработана оценка состояния ок­ружающей среды по комплексу Признаков у хвойных, при которой используются не только морфологические показатели, которые весь­ма изменчивы, но и ряд биохимических изменений.

Использование хвойных дает возможность проводить биоин­дикацию на огромных территориях (например, оценивать влия­ние на окружающую среду таких гигантов сибирской индустрии, как Норильский и Братский комбинаты).

Хвойные - основные ин­дикаторы, которые применялись для оценки состояния лесов Ев­ропы. Их использование также весьма информативно на малых территориях (например, влияние автодороги на прилегающую зону, если она примыкает к хвойному лесу; состояние окружающей среды в городских экосистемах разного ранга и характера).

Оборудование и материалы

1) весы технохимические; 2) разновесы; 3) линейки; 4) измери­тельные и простые лупы с увеличением в 4-10 раз; 5) миллимет­ровка; 6) термостат; 7) ветви одного вида хвойных, произрастающего в городских посадках или в зоне влияния металлургических пред­приятий, ТЭС и др.; ветви, взятые в относительно чистой зоне заго­родных территорий.

Ход работы

По заданию преподавателя, за неделю до занятий, студенты срезают ветви условно одновозрастных хвойных деревьев, наиболее распространенных в данной местности (напри­мер, для городских условий обычны ель обыкновенная и ель го­лубая колючая). Ветви срезают на высоте 2 м с определенной части кроны, обращенной к зонам с загрязненным воздухом (вблизи автодорог, предприятий, особенно с выбросами в воздух сернистого газа, на который хвойные сильно реагируют). Конт­ролем служат ветви с условно одновозрастных деревьев, собран­ных в чистой зоне заповедника, зеленой зоне города или в посадках лесных культур.

Изучение хвои

A. Хвою осматривают при помощи лупы, выявляют и зарисовы­вают хлорозы, некрозы кончиков хвоинок и всей поверхности, их процент и характер (точки, крапчатость, пятнистость, мозаичность).

Чаще всего повреждаются самые чувствительные молодые иглы.
Цвет повреждений может быть самым разным: красновато-бурым, желто-коричневым, буровато-сизым и эти оттенки являются информативными качественными признаками.

Б. Измеряют длину хвои на побеге прошлого года, а также ее ширину (в середине хвоинки) при помощи измерительной лупы. Предварительно используя миллиметровку, устанавливают цену деления лупы. Повторность 10-20-кратная, так как биометричес­кие признаки довольно изменчивы.

B. Устанавливают продолжительность жизни хвои путем про­смотра побегов с хвоей по мутовкам.

Г. Вычисляют массу 1000 штук абсолютно сухих хвоинок. Для этого отсчитывают 2 раза по 500 штук хвоинок, их высушивают в термостате до абсолютно-сухо­го состояния и взвешивают.

Д. Сближенность хвоинок. В результате ухудшения роста побе­га в загрязненной зоне пучки хво­инок более сближены и на 10 см побега их больше, чем в чистой зоне. Отмеряют 10 см побега про­шлого года и подсчитывают чис­ло хвоинок. Если побег меньше 10 см, подсчет ведется по суще­ствующей длине и переводится на 10 см.

Во всех случаях измерений выводится среднее.

Схема записи результатов измерений хвои

Изучение побегов

A. Измеряют длину прироста каждого года, начиная от последнего, двигаясь последовательно по междоузлиям от года к году.

Б. Устанавливают толщину осевого побега (на примере двух­летнего).

B. В местах мутовок подсчитывают ветвление, выводится среднее.

Г. На побегах устанавливают наличие некрозов (точечное или другой формы отмирание коры).

Изучение почек

А. Подсчитывают число сформировавшихся почек, вычисляют среднее.

Б. Измеряют длину и толщину почек измерительной лупой.

Схема записи результатов измерений побегов и почек

Примечание. Для построения карты состояния среды на опреде­ленной территории по реакциям хвойных все биометрические по­казатели выражаются в баллах (самый высокий балл - 5 - в чистой зоне) и наносятся на карту, а затем контурными линиями выделя­ются зоны разной степени загрязнения.

Лабораторная работа № 13.

Оценка состояния окружающей среды по на­личию, обилию и разнообразию видов ли­шайников (лихеноиндикация)

Очень информативными биоиндикаторами состояния воздуш­ной среды и ее изменения являются низшие растения: мхи и лишай­ники, которые накапливают в своем слоевище (талломе) многие загрязнители (серу, фтор, радиоактивные вещества, тяжелые метал­лы). Лишайники очень нетребовательны к факторам внешней сре­ды, они поселяются на голых скалах, бедной почве, стволах деревьев, мертвой древесине, однако для своего нормального функциониро­вания они нуждаются в чистом воздухе. Особенно они чувствитель­ны к сернистому газу. Малейшее загрязнение атмосферы, не влияющее на большинство растений, вызывает массовую гибель чув­ствительных видов лишайников. Они исчезают, как только концен­трация сернистого газа достигнет 35 млрд¹, а среднее его содержание в атмосфере крупных городов свыше 100 млрд¹ (Рамад, 1981). Не удивительно поэтому, что большинство лишайников уже исчезло из центральных зон городов.

Научное направление биомониторинга (т.е. слежения) за состо­янием воздушной среды при помощи лишайников называется лихеноиндикацией.

Лишайники - это симбиоз водоросли и гриба. Они чувствитель­ны к загрязнению среды в силу следующих причин: 1) у лишайни­ков отсутствует непроницаемая кутикула, благодаря чему обмен газов происходит свободно через всю поверхность; 2) большинство токсических газов концентрируются в дождевой воде, а лишайники' впитывают воду всем слоевищем, в отличие от цветковых растений, которые поглощают воду преимущественно корнями;

3) большин­ство цветковых растений в наших широтах активно только летом, когда уровень загрязнения сернистым газом намного ниже (вслед­ствие уменьшения сжигания угля в топках - основного источника сернистого газа), в то время как лишайники обладают способнос­тью к росту и при температурах ниже 0°С.

В отличие от цветковых растений лишайники способны избав­ляться от пораженных токсическими веществами частей своего тал­лома каждый год. В городах с загрязненной атмосферой они редки, главный враг лишайников в городах - сернистый газ. Установлено, что чем выше уровень загрязнения природной среды сернистым га­зом, тем больше серы накапливается в слоевище лишайников, при­чем живое слоевище аккумулирует серу из среды интенсивнее, чем мертвое. Особенно удобны лишайники в качестве индикаторов не­большого загрязнения окружающей среды. Наиболее чувствитель­ным симбионтом в талломе лишайников является водоросль.

В мире насчитывается около 26 тысяч видов лишайников. Они различаются по зонам произрастания (тундра, лесная зона и т.д.), видам субстрата (камни, скалы, стволы и ветви деревьев, почва). У лишайников, растущих на деревьях, видовой состав различается в зависимости от рН коры. Лишайники исчезают в первую очередь с деревьев, имеющих кислую кору (береза, хвойные), затем с нейт­ральных (дуб, клен) и позже всего - с деревьев, имеющих слабоще­лочную кору (вяз мелколистный, акация желтая). В лишайниковых типах леса доминируют кустистые лишайники (кладония, цетрария), длинными бородами с ветвей деревьев свисает уснея, которая является наиболее чувствительным видом и растет в лесах только с чистой атмосферой.

Среди жизненных форм лишайников различают:

1) накипные (слоевище имеет вид корочек) - например, бацидиум фисция;

2) листоватые (слоевище имеет вид пластинок) - например, пармелия, степная золотянка, гипогимния;

3) кустистые (слоевище имеет вид кустиков или свисающих «бо­род», иногда до 1-2 м длиной) - например, уснея, бриория, клафония, цетрария.

Практикуется и более дробное деление жизненных форм лишай­ников:

1) накипные - порошкообразные, слабо структурированные;

2) корковые - коркообразные, плотно прилегают к субстрату;

3) чешуйчатые - коркообразные, края таллома приподнятая;

4) пластинчатые - коркообразные, края бороздчатые и образу­ют лопасти;

5) листоватые - таллом листообразный с четкой нижней коркой;

6) кустистые - прямые волосовидные или кустарниковой формы.

Наиболее чувствительны к загрязнению воздушной среды кус­тистые и листоватые лишайники (исчезают полностью), наименее - накипные.

Лишайники (особенно бриория, пармелия, уснея) являются пи­щей ряда животных (косуль, оленей), а кладония - основная пища северного оленя.

Разрушение и исчезновение лишайникового по­крова в связи с загрязнением территории (например, в условиях Севера под влиянием промышленности и транспорта) нарушает основные пищевые цепи и приводит к исчезновению ряда живот­ных (особенно оленей), которые являются источником пищи и одеж­ды для ряда северных народов.

Ход работы

Биоиндикация территории с помощью лишайников может быть организована по-разному, в зависимости от цели: 1) ознакомитель­ная студенческая практика; 2) сбор материала для дипломной или научной работы.

В одном случае трансекту длиной в 2-3 км удобно разместить перпендикулярно насыщенной автотранспортом загородной доро­ге, примыкающей к лесному массиву, состоящему из небольшого разнообразия древесных видов (например, сосна с примесью бере­зы или дубовое насаждение с примесью клена).

В другом случае трансекта располагается в зависимости от рас­стояния до центра города (центральные улицы, на некотором рас­стоянии от центра, окраинные улицы, загородные территории). Такая трансекта может продолжаться на 20-50 км и переходить в зеленую зону города. Вполне очевидно, что в такой многокилометровой трансекте должны изучаться только виды древесных растений, име­ющиеся на всей территории.

Первая трансекта разбивается на ряд участков: 1) возле дороги, 2) в 100 м, 3) в 300 м, 4) в 500 м, 5) в 1000 м, 6) в 2000-3000 м от дороги. На каждом участке закладываются пробные площади раз­мером 20x20 м, 50x50 м, 100x100 м (в зависимости от цели исследо­вания и разреженности насаждения).

На каждой пробной площади учитываются следующие параметры:

а) общее число видов лишайников;

б) степень покрытия слоевищами лишайников каждого дерева;

в) частота (встречаемость) каждого вида;

г) обилие каждого вида.

При этом могут быть употреблены следующие градации

Ранее отмечалось, что число видов лишайников насчитывается тысячами. Только в бассейне реки Дон в пределах Воронежской об­ласти их обнаружено 243 вида, а на окраинах города Воронежа и в окрестностях - 91 вид. В связи с этим биоиндикация состояния окружающей среды по видовому составу лишайников является пред­метом специальной научной работы, а не практического занятия для студентов и школьников. В кратковременной студенческой прак­тике информативность занятия может быть сокращена до опреде­ления общего количества видов и степени покрытия деревьев.

Влияние загрязнения среды на встречаемость лишайников (составлена по работам многих авторов)

Лабораторная работа № 14.

Биомониторинг атмосферного загрязнения по реакции пыльцы различных растений-ин­дикаторов

Известно, что наиболее чувствительными процессами, на которые влияют неблагоприятные и стрессовые условия (в том числе и загрязнение среды), являются репродуктивная деятельность и про­должительность жизни растений. При воздействии неблагоприятных факторов могут наблюдаться сдвиги как в мужской (пыльца), так и в женской (семяпочки) сферах. В первом случае это выража­ется в увеличении стерильности пыльцевых зерен, что влечет их
пониженное прорастание и уменьшение роста пыльцевой трубки, в результате чего она не достигает семяпочки и не происходит оплодотворение.

Во втором случае гибнет сама семяпочка на первых эта­пах деления после оплодотворения. Известно, чте делящиес клетки обладают высокой чувствительностью к неблагоприятным воздействиям. При очень сильных антропогенных воздействиях (загрязнение воздуха) в семяпочке повышается число мутаций и хромосомных аберраций.

Работы, проведенные разными авторами с различными расте­ниями (табак, мышиный горошек, мать-и-мачеха, подорожник, ку­куруза, сосны обыкновенная и смолистая, пихты белая и сибирская и др.) показали, что в зоне влияния заводов, автомобильных дорог увеличивается число стерильных растений.

Для анализа изготавливают временные давленные препараты пыльцевых зерен; последние обрабатывают ацетокармином по Дженсену (1965). Ацетокармин широко применяется для окраски хромо­сом. В делящихся клетках хромосомы обычно увеличиваются и хорошо видны в микроскоп. Можно окрашивать как проросшую, так и не про­росшую пыльцу (жизнеспособные пыльцевые зерна - красные).

Используют также выявление крахмала у пыльцы (реакция с йодом в йодистом калии), наличие которого показывает ее жизне­способность (синее окрашивание). В ряде случаев окраска может быть от темно-пурпурной до черной. Только что образовавшийся крахмал, который частично гидролизован, будет иметь окраску от красной до светло-пурпурной.

Методика определения всхожести пыльцы и роста пыльцевых трубок предлагается согласно У.Х. Смиту (1985). При сборе пыльцы следует учитывать, что у древесных видов выброс пыльцы происхо­дит относительно быстро: за время от нескольких часов до несколь­ких суток. Собранная пыльца может храниться в холодильнике довольно долго (у отдельных видов хвойных до года и больше).

Попавшее на пестик или овулярный конус зерно пыльцы должно прорасти и образовать трубку длиной в несколько миллиметров, чтобы достичь семяпочки. Многочисленные примеси в воздухе по­давляют развитие пыльцы и рост пыльцевой трубки. При этом многими авторами установлено синергическое воздействие двуокиси : серы и азота, озона и альдегидов на подавление роста трубки. Так, у табака, выращиваемого возле дороги, рост пыльцевой трубки снизился на 89-98%.