Scientific journal

Advances in current natural sciences

ISSN 1681-7494

"Перечень" ВАК

ИФ РИНЦ = 0,775

Биоиндикация – одно из приоритетных направлений диагностики состояния окружающей среды. Она доступна всем категориям исследователей, поскольку не требует специального оборудования. Реакция биоиндикаторов – это комплексный ответ на изменения состояния среды обитания, отражающий весь спектр воздействия разнообразных факторов.

Материалы и методы исследования

Широко известны современные методики оценки степени чистоты воздуха по одному из эталонных биоиндикаторных видов средней полосы России – сосне обыкновенной (Pinus sylvestris L.). Однако большинство из них основывается на ограниченном числе морфологических параметров этого вида [1-3].

Главными критериями оценки степени загрязнения воздуха по методике С.В. Алексеева [1] является состояние хвои и ее возраст. В состоянии хвои автором выделено три класса повреждения и четыре класса усыхания. Каждому классу повреждения хвои соответствует шкала степени чистоты воздуха. Однако наши исследования показывают, что даже в достаточно чистых районах на одном дереве часто обнаруживается хвоя всех классов повреждения и усыхания. К тому же максимальный возраст хвои в 4 года может сочетаться со всеми тремя классами повреждения. Поэтому из методики С.В. Алексеева неясно, к какой степени загрязнения должна быть отнесена совокупность всех классов повреждения. Выделение классов усыхания вообще не имеет смысла, поскольку они не используются в определении состоянии воздуха.

Т.Я. Ашихмина [2] представляет серию методик оценки степени чистоты воздуха, каждая из которых основана на каком-то одном параметре состояния вегетативных или генеративных органов сосны обыкновенной. Первая из них основана на изучении состояния хвои, которая собирается с боковых побегов средней части кроны 15-20-летних сосен и распределяется по трем группам: неповрежденная, поврежденная и усыхающая. Интерпретация результатов базируется на сравнительном анализе динамики состояния хвои за несколько лет. При впервые проводящемся таком анализе трактовка результатов бывает затруднена вследствие отсутствия градации степени повреждения хвои. Однако идея выделения трех групп в состоянии хвои представляется более надежным вариантом биоиндикации по сравнению с экспресс-анализом С.В. Алексеева [1].

Вторая методика Т.Я. Ашихминой [2] основана на обследовании длины и диаметра шишек сосны, которые в загрязненном воздухе могут снижаться на 15-20%, наряду с уменьшением их количества.

Третья методика предполагает определение загрязнения атмосферы по состоянию прироста центрального побега последнего года жизни. В условиях загрязнения, по мнению Т.Я. Ашихминой, он может снижаться на 20-60%. Этот параметр видится нам более лабильным и противоречивым, поскольку в загрязненных местообитаниях мы не раз наблюдали не снижение прироста, а его увеличение вследствие компенсаторного эффекта на уменьшение общей фотосинтезирующей поверхности хвоинок в результате их повреждения или усыхания. Таким образом, прирост, вероятно, следует учитывать не отдельно, а в совокупности с распределением хвои по классам повреждения [4].

Продолжительность жизни хвои оценивается Т.Я. Ашихминой как самостоятельный параметр, хотя С.В. Алексеев рассматривал его в совокупности с характером ее повреждений. Т.Я. Ашихмина вводит формулу для вычисления индекса продолжительности жизни хвои, который зависит от количества осмотренных деревьев и класса повреждения хвоинок.

А.И. Федорова и А.Н. Никольская [5] предлагают интегральную оценку состояния воздуха по комплексу признаков хвои, прироста побегов и почек. Хвою они обследуют на предмет продолжительности жизни, повреждения, а также учитывают ее длину, ширину и массу. Авторы вводят еще один параметр – количество хвоинок на 10 см побега. Считается, что из-за ухудшения роста побегов укороченные побеги сосны более сближены, и на 10 см побега их должно быть больше. К сожалению, не совсем ясно, каким образом учитывать хвоинки на этих 10 см, ведь в прямой ряд они не выстраиваются. Возможно, авторы имеют в виду количество хвоинок на всю площадь побега, имеющего длину 10 см. Чтобы оптимизировать этот аспект, мы вводим такой параметр, как плотность хвои (Р) [4], которая равна отношению количества хвоинок (Х) к площади поверхности побега (S), т.е. к произведению его длины на длину окружности (Р = Х / S).

Методика А.И. Федоровой и А.Н. Никольской предполагает изучение побегов: длину прироста каждого года жизни, его толщину и ветвление, а также измерение длины и толщины почек. На основании полученных результатов выводится средняя величина по каждому показателю.

Все биометрические данные изучения хвои, побегов и почек выражаются в баллах от 1 до 5, где самый высокий балл соответствует чистой зоне. Однако какой балл какому цифровому значению соответствует, авторами методики не указано. Все параметры снимаются с предварительно срезанных одновозрастных побегов, расположенных на высоте 2 м в той части кроны, которая обращена к зонам загрязнения воздуха. Таким образом, не предполагается обследование одних и тех же побегов, что явно ведет к росту вариабельности результатов.

Работа О.П. Мелеховой и Е.И. Егоровой [3] описывает метаморфозы сосны в условиях радиоактивного загрязнения и воздействия оксида серы (IV). Примечательно, что под воздействием радиации у сосны может наблюдаться как торможение роста в виде гибели почек, хвои и побегов, так и обратная реакция – увеличение прироста в течение вегетационного периода, многопочечность. Эти явления отмечены нами в ходе многолетних наблюдений в зонах техногенного загрязнения.

Анализ перечисленных методик позволяет констатировать, что в отдельности морфологические характеристики сосны обыкновенной недостаточно информативны. Совокупность параметров, а также введение новых позволяет дать более точную оценку состояния окружающей среды с помощью этого индикаторного вида.

Результаты исследования и их обсуждение

Сбор и первичная обработка полевого материала

1. Выбрать точку исследования, на территории которой можно найти сосны 10-15-летнего возраста высотой 1-1,5 м.

2. Описать местоположение выбранной точки исследования, особо обратив внимание на антропогенную нагрузку, ориентацию объектов-загрязнителей окружающей среды по сторонам света, направление господствующих ветров и т.д.

3. В точке исследования выбрать 5 сосен нужного возраста и высоты, растущих друг от друга на расстоянии 5-10 м.

3.1. Определить возраст каждого дерева по количеству мутовок главного побега плюс 2 (в первые 2 года жизни рост боковых побегов не происходит). Данные занести в таблицу 1.

3.2. Определить продолжительность жизни хвои [1; 5; 6]. Для этого обследовать приросты главного побега, начиная с прироста последнего года. На каком количестве приростов последних лет, начиная с верхнего, сохранилась хвоя, столько лет она и прожила. Продолжительность жизни хвои может быть выражена не только целым, но и дробным числом, если на последнем охвоенном участке ствола сохранилась только часть хвои [1; 7].

3.3. Изучить ежегодный прирост [2; 8; 9] главного побега каждого дерева в длину и толщину, особенности ветвления. Для этого у каждой сосны измерить длину прироста главного побега от его верхушки до боковых побегов, окружность побега в точке ветвления, подсчитать количество боковых побегов. Начинать лучше сверху, с прироста последнего года, продвигаясь к основанию ствола. Провести измерения только главного побега, формирующего ствол дерева. Данные занести в таблицу 1.

3.4. С каждой сосны собрать всю хвою с прироста главного побега предпоследнего года жизни в отдельный пакет с указанием № пробной площадки, ее местоположения, № сосны, Ф.И.О. сборщика, даты сбора материала.

Изучение повреждений и усыханий хвои производят в лабораторных условиях с использованием бинокуляра не позднее чем через неделю после сбора основного материала.

Таблица 1

Результаты измерения побегов сосны № 1…5 на пробной площадке (местоположение)

Камеральная обработка полевого материала

1. Собранную хвою с предпоследнего прироста главного побега изучают у каждой сосны отдельно. Предварительно разложив ее на столе, подсчитывают количество пар хвоинок, то есть укороченных побегов. В условиях сильного загрязнения воздуха особенности роста укороченных побегов часто нарушаются: хвоинки могут расти пучками по 3, 4, 5 в пазухах чешуевидных листьев. Такие укороченные побеги необходимо учитывать отдельно. Данные изучения укороченных побегов внести в таблицу 2.

2. Разделить хвоинки по одной и, используя бинокуляр, разложить по классам повреждения и усыхания. При анализе нужно помнить, что окраска кончика хвоинки всегда более светлая.

Классы повреждения и усыхания:

1 класс – хвоя без повреждений и усыханий;

2 класс – хвоя поврежденная: с микро- и макронекрозами;

3 класс – усыхающая хвоя (кончик хвоинки, половина хвоинки, полностью сухая хвоинка);

4 класс – повреждения хвои насекомыми: погрызы, проколы и т.д.

3. Вычислить средние биометрические параметры. Для нахождения среднегодовой длины окружности (4 столбец таблицы 3) суммировать длины окружностей всех побегов (3 столбец таблицы 1) данной сосны и разделить на количество побегов. Аналогичным образом найти среднегодовые длины приростов и среднее количество боковых побегов. По полученным по каждой сосне данным вывести средние значения для точки исследования. Для этого средние результаты (столбцы 2, 3, 4 таблицы 1) одной сосны сложить со средними результатами соответствующих столбцов других сосен и разделить на количество исследованных деревьев. Полученные средние значения занести в таблицу 3.

4. Найти плотность (ρο) хвои по формуле:

ρο = N / a × b,

где ρο – плотность, N – количество хвоинок на предпоследнем приросте главного побега (шт.), a – длина предпоследнего прироста главного побега (см), b – длина окружности предпоследнего прироста главного побега (см). Данные занести в таблицу 4.

Таблица 2

Результаты исследования хвои по классам повреждения и усыхания на пробной площадке (местоположение)

Таблица 3

Средние результаты измерения побегов на пробной площадке (местоположение)

Таблица 4

Плотность хвои на предпоследнем приросте главного побега, шт./см2

Результаты исследования и их обсуждение

Ниже представлен алгоритм разработки интегральной методики оценки степени чистоты воздуха по метрическим характеристикам вегетативных органов сосны обыкновенной, апробированной авторами в течение пяти лет на 20 пробных площадках восточного Подмосковья (г. Орехово-Зуево и Орехово-Зуевского района). Для получения балльной оценки мерные параметры обработаны с помощью методов математической статистики.

Полученные результаты в каждой точке исследования обобщены и систематизированы путем подсчета общих итогов по совокупности единиц наблюдения (сводки) и сгруппированы. Примененный метод группировки направлен на изучение структуры явления и структурных сдвигов, происходящих в нем, выявление связи и зависимости между явлениями [10; 11].

Проведение сводки и группировки предполагает:

1) выбор группировочного признака;

2) определение порядка формирования групп;

3) разработку статистических показателей для характеристики групп и выборки в целом;

4) разработку макетов статистических таблиц для представления результатов сводки.

В качестве группировочных признаков использованы:

1) плотность хвои;

2) средняя продолжительность жизни хвои;

3) среднегодовая окружность прироста главного побега;

4) среднегодовая длина прироста главного побега;

5) среднегодовое количество боковых побегов.

После определения основания группировки решен вопрос о количестве групп, численности совокупности, степени вариации признака.

Число групп определено по формуле Стерджесса:

n ≈ 1 + log2N, или n ≈ 1 + 3,322 ∙ lgN,

где n – число групп, N – число единиц совокупности.

В совокупности обследовано 100 деревьев: по 5 на 20 пробных площадках.

n ≈ 1 + log2100 = 1 + 6,64 = 7,64,

n ≈ 1 + 3,322 ∙ lg100 = 1 + 6,644 = 7,644

n = 8

После установления числа групп определен интервал группировки (размах выборки R) как разность между верхней и нижней границами интервала: R = xmax – xmin

R1 = 3,8; R2 = 1,9; R3 = 9,2; R4 = 92,7; R5 = 20,5; R6 = 1,8

и величина интервала группировки: h = R / n

h1 = h1 = 0,5; h2 = 0,2; h3 = 1,2; h4 = 12; h5 = 2,6; h6 = 0,2.

Далее обозначены границы групп с равными интервалами (табл. 5).

После выбора интервалов группировки определены частоты – количество ni элементов выборки, попавших в i−интервал (элемент, совпавший с правой границей интервала, относится к последующему интервалу). Получен статистический ряд: в верхней строке содержатся середины интервалов группировки, а в нижней – частоты ni (табл. 6).

Аналитические группировки вносят погрешность в дальнейшие вычисления (погрешность растет с увеличением числа интервалов), т.к. связаны с потерей части информации, заключенной в выборке. Однако они позволяют установить связь и определить направление между результативным и факторным признаком.

Таблица 5

Группировка полевого материала по основным метрическим параметрам сосны обыкновенной

Таблица 6

Таблица частот и середин интервалов группированной выборки

Таблица 7

Таблица частот и середин интервалов вторичной группированной выборки

В действительности на изменение величины результативного признака оказывает влияние множество факторов, действующих в разных направлениях. Для изучения таких многофакторных связей используют вторичные и многомерные группировки.

Проведена вторичная группировка на основе ранее построенной группировки путем объединения первоначальных интервалов. Построен статистический ряд, в верхней строке которого отмечены середины интервалов вторичной группировки, а в нижней − частоты ni (табл. 7).

Таблица 8

Балльная оценка состояния окружающей среды по метрическим параметрам сосны обыкновенной

В результате вторичной группировки выявлено 5 групп значений для каждого признака, представленных в итоговой таблице 8, используя которые можно вычислить средний балл состояния окружающей среды района исследования. Для нахождения среднебалльной оценки нужно найти балл, соответствующий полученному результату по каждому параметру, а затем сложить все полученные баллы и разделить на количество оцениваемых параметров, производя округление по законам нахождения среднего [10; 11].

Например, в точке N получены значения плотности хвои – 0,9 шт./см2 (балл 1), средней продолжительности жизни хвои – 2 года (балл 3), среднегодовой окружности прироста главного побега – 9,5 см (балл 2), среднегодовой длины прироста главного побега – 21,1 см (балл 3); среднегодового количества боковых побегов – 3,7 шт. (балл 2). Сумма баллов составляет 1+3+2+3+2=11. Среднее арифметическое 11/5 равно 2,2. Округляя, получаем интегральный балл 2, что соответствует фоновому состоянию окружающей среды района исследования.

Следует отметить, что чем выше плотность хвои, тем больше количество брахибластов на удлиненных побегах. Их рост стимулирован повреждением фотосинтетического аппарата сосны обыкновенной, т.е. компенсаторным эффектом, поэтому наименьшие значения признака свидетельствуют о лучшем состоянии окружающей среды (до 1,1) – 1 балл – условная норма. Последовательность значений в остальных группах признаков обратная, поскольку снижение интенсивности нарастания и ветвления побегов свидетельствует об ухудшении состояния окружающей среды.

Заключение

Предложенная методика не претендует на исчерпывающую полноту. Это лишь попытка интегральной балльной оценки экологического состояния лесных биоценозов по метрическим параметрам сосны обыкновенной. Возможно, в других регионах страны [12-14] будут получены иные результаты, и им будет дана иная интерпретация.