Исследовательская работа "Определение чистоты воздуха методом лихеноиндикации"
материал по географии (9 класс) по теме

Муниципальное образовательное учреждение

«Танаевская средняя (полная) общеобразовательная школа»

 Елабужского муниципального района

Республики Татарстан.

Научно – исследовательский проект.

Тема:

«Определение чистоты воздуха Танаевского леса методом лихеноиндикации»

Работу выполнила

ученица10 класса

Мельникова Екатерина Николаевна

Научный руководитель

Учитель географии Першина Е.Д.

учитель химии, биологии Лысанова А.М.

                                        Содержание:

1. Химическое загрязнение атмосферы…………...…………………………………………..3
2. Цель работы, задачи, методы исследования ………………....4
3. Физико-географическая характеристика Танаевского лес.….4
4. Результаты исследований…………………………………...….6
5. Выводы ………………………………………………….……..12
6. Обзор литературы………………………………………….…..13
7. Краткое описание лишайников, встреченных в Танаевском лесу. ………...........................................................................................17
8. Рекомендации по сохранению чистоты воздуха Танаевского леса…………………………………………………….…..…….18
9. Контроль за выбросами в атмосферу загрязняющих веществ……………....…………………………………………..19

   Химическое загрязнение атмосферы.

Во все времена своего существования человек был неразрывно связан с природой. Но с момента возникновения высокоиндустриального общества человек все больше стал вмешиваться в ее жизнь. На данном этапе это вмешательство грозит полным уничтожением природы. Постоянно расходуются невозобновимые виды сырья, число пахотных земель катастрофически сокращается, потому что они становятся местом строительства новых городов и промышленных предприятий. Человек все больше  стал вмешиваться в функционирование биосферы – той части нашей планеты, где как раз и существует жизнь. Биосфера Земли в настоящее время подвергается нарастающему антропогенному воздействию. При этом необходимо отметить несколько наиболее важных процессов, каждый из которых ухудшает экологическую ситуацию на планете.

        Наиболее сильно отражается на окружающей среде загрязнение продуктами химических преобразований. К ним можно отнести газообразные и аэрозольные загрязнители промышленно – бытового происхождения. Также плохо отражается на атмосфере накопление углекислого газа, количество которого, к сожалению, все увеличивается. Это может привести в самом ближайшем будущем к увеличению среднегодовой температуры на Земле. Продолжается загрязнение Мирового океана нефтью и ее производными, которое охватило уже 1/5 всей поверхности океана. Такая ситуация может стать причиной нарушения газо – и водообмена между атмосферой и гидросферой. Загрязнение почвы пестицидами и превышение кислотности могут привести  к распаду экосистемы. Все эти процессы вызывают негативное изменение в биосфере.

        Человек загрязняет атмосферу уже многие тысячелетия, и все же последствия использования огня были совсем невелики. Человеку надо было только примирится с тем, что дым не давал полностью вобрать воздух в легкие, или с тем, что жилища выглядели неуютно из – за сажи, покрывающей стены. Тепло, которое давал огонь, было нужнее и важнее, чем чистый воздух. В те времена такое загрязнение воздуха не было столь катастрофическим, потому что люди жили небольшими группками на девственной территории, раскинувшейся на тысячи километров. И даже когда позднее люди сосредоточивались в одном месте, они  не могли серьезно влиять на окружающую среду.

Такое равновесие существовало примерно до  девятнадцатого века. Промышленность начала развиваться ускоренными темпами, что повлекло за собой усиленное загрязнение окружающей среды. С каждым годом рождались все новые и новые города – миллионеры, появлялись новые изобретения.

Атмосфера загрязняется в результате воздействия трех основных факторов: промышленности, бытовых котельных и транспорта. В зависимости от места расположения доля каждого из трех источников загрязнения сильно колеблется. Однако общепризнанным является тот факт, что промышленное производство стало одним из самых грозных «обидчиков окружающей »среды. Источниками загрязнения становятся теплоэлектростанции, выбрасывающие вместе с дымом в атмосферу сернистый и углекислый газ. Также сюда можно отнести металлургические предприятия, особенно цветной металлургии, которые выбрасывают в воздух оксиды азота, сероводород, хлор, фтор, аммиак, соединения фосфора, частицы и соединения ртути и мышьяка. Сюда же относят химические и цементные заводы.

Основные загрязняющие вещества.

Атмосферные загрязнители можно разделить на первичные, поступающие прямо в атмосферу, и вторичные, которые являются результатом метаморфозы последних. Например, попадающий в атмосферу сернистый газ окисляется до сернистого ангидрида, взаимодействующего с парами воды, и образует капельки серной кислоты. При взаимодействии серного ангидрида с аммиаком формируются кристаллы сульфата аммония. Подобным образом, в результате химических, фотохимических, физико-химических реакций между загрязняющими веществами и компонентами атмосферы, возникают и другие вторичные загрязняющие вещества. Основным источником пирогенного загрязнения на планете стали тепловые электростанции, металлургические и химические предприятия, котельные установки, потребляющие более 70% добываемого твердого и жидкого топлива.

Основные вредные примеси пирогенного происхождения следующие:

1. Оксид углерода. Он возникает при неполном сгорании углеродистых веществ. В воздухе оказывается в результате сжигания твердых отходов, с выхлопными газами и выбросами промышленных предприятий. Ежегодно этого газа поступает в атмосферу не менее 250 млн тонн. Оксид углерода – это соединение, активно реагирующее с составными частями атмосферы, он способствует повышению температуры на планете и созданию парникового эффекта.
2. Сернистый ангидрид. Выделяется в процессе сгорания серосодержащего топлива или переработки сернистых руд (до 70 млн тонн в год). Часть соединений серы может выделится при горении органических остатков в горнорудных отвалах. В США общее количество выброшенного в атмосферу сернистого ангидрида от общемирового выброса составляет 65%.
3. Серный ангидрид. Образуется при окислении сернистого ангидрида. Конечным продуктом реакции становится аэрозоль или раствор серной кислоты в дождевой воде, который подкисляет почву, обостряет заболевания дыхательных путей. Выпадение аэрозоля серной кислоты из дымовых факелов химических предприятий наблюдается при низкой облачности и высокой влажности воздуха. Листовые пластинки растений, произрастающих на расстоянии менее 1 км от таких предприятий  , обычно бывают усыпаны небольшими некротическими пятнами в местах падения капель серной кислоты.
4. Сероводород и сероуглерод. Поступают в атмосферу отдельно или вместе с другими соединениями серы. Основными источниками выброса становятся предприятия по изготовлению искусственного волокна, сахара, коксохимические, нефтеперерабатывающие заводы, а также нефтепромыслы. В атмосфере при взаимодействии с другими загрязнителями медленно окисляются до серного ангидрида.
5. Окислы азота. Основными источниками выброса являются предприятия, производящие азотные удобрения, азотную кислоту и нитраты…Количество окислов азота, поступающих в атмосферу составляет 20 млн тонн в год.
6. Соединения фтора. Источниками загрязнения являются предприятия по производству алюминия, эмалей, стекла, керамики…Фторсодержащие вещества поступают в атмосферу в виде газообразных соединений – фторводорода и пыли фторида натрия и кальция. Соединения характеризуются токсичным эффектом.
7. Соединения хлора. Поступают в атмосферу от химических предприятий, производящих соляную кислоту, хлорсодержащие пестициды, органические красители.…В атмосфере наблюдаются как примесь молекулы хлора и паров соляной кислоты. Токсичность хлора определяется видом соединений и их концентрацией.

В металлургической индустрии при выплавке чугуна  переработке его на сталь происходит выброс в атмосферу различных тяжелых металлов и ядовитых газов.

Поэтому в контроле за выбросами предприятий лучше всего использовать природные индикаторы. Например, лишайники. Этот метод называется лихеноиндикация.

Цель работы: оценить состояние воздуха Танаевского леса методом лихеноиндикации.

Задачи: 

1.Определить видовой состав лишайников Танаевского леса.
2. Изучить динамику плотности проективного покрытия лишайников в различных участках Танаевского леса.
З. Провести оценку степени загрязнённости воздуха в Танаевском лесу.

           Материалы и методы исследований.

         Исследования проводились с 5.09.2006г. до 5.10.2006г. В сухую погоду, температура воздуха в среднем была 10-18 градусов, с 14 до 16 часов. Для исследования были взяты участки10х10 в разных участках Танаевского леса.
Оценка относительно численности лишайников проводилась по методике линейных пересечений. На каждой пробной площадке были выбраны 10 сосен возраст 30-40 лет. Измерения проводились на двух высотах: 0,9м. и 1,5м. Методика заключается в наложении гибкой ленты, в данном случае «портняжного метра» на поверхность ствола с фиксированием всех пересечений со слоевищами лишайников. Видовой состав лишайников устанавливался с помощью определителя.

                   Физико-географическое описание местности.

         Место своего исследования я выбрала ландшафтный комплекс национального парка «Нижняя Кама» - Танаевский лес.
Танаевский лес, или как иногда его называют «Танаевская дача», располагается на материковом берегу реки Камы и занимает площадь 956 га. Господствующей породой здесь является сосна, местами хорошо выражен подлесок в восточной части, в нём доминируют акция желтая, бузина. В других частях подлесок составлен подростом сосны, осины, с присутствием бузины и жимолости лесной.
         В отличие от других лесов парка Танаевский лес произрастает на глубоких песках и супесях, которые образовались на элювиальных песчаниках пермской системы. Танаевский лес подвергается очень сильной рекреационной нагрузке, так как здесь находятся детские оздоровительные лагеря, мед. сан. часть НГДУ «Прикамнефть», скважины по добыче минеральной воды,  на окраине леса расположен асфальто - бетонный завод (АБЗ), примыкают садовые общества, места массового отдыха елабужан.

         Для изучения лишайников были взяты 4 участка Танаевского леса:                    

     1.Красная горка                                                                                                                     2.Типичный эталонный участок                                                                                                              3. Район оздоровительного лагеря Космос                                                                                               4. Район АБЗ.                                                                                                                                      

      Результаты исследования и их обсуждение.

Площадка №1 была заложена на Красной горке, здесь были обнаружены 2 формы лишайников: накипные и листоватые. Среди листоватых был найден только один вид и определен, это была гипогимния (см. табл.№1).

 Таблица№1. Учетная таблица лихенометрической съемки на площадке №1

Из таблицы №1 следует, что площадь проективного покрытия на высоте 1,5м. больше, чем на высоте 90см.

Площадка № 2 была заложена на эталонном лесном участке. Здесь были обнаружены такие виды, как: гипогимния, эверния, рамалина. Все З вида по форме относятся к листоватым лишайникам (см. табл. № 2).

Таблица 2 Учетная таблица лихенометрической съемки на площадке №2

По таблице №2 видно, что плотность проективного покрытия на высоте 90 см. выше, чем на высоте 1,5 м.

Площадка №3 была заложена на территории, находящейся около
оздоровительного лагеря «Космос». Были встречены накипные и листоватые  формы лишайников.

Таблица№3 Учетная таблица лихенометрической съемки на площадке №3

 Обозначения: (м) - мертвые лишайники.
Названия столбцов: м — мёртвые лишайник; ж— живые лишайники Из таблицы №3 видно, что площадь проективного покрытия живых лишайников больше на высоте 90м., а мертвых на высоте 1,5м. На площадке №3 было обнаружено большое количество мертвых и больных лишайников.

Площадка №4 была заложена восточнее АБЗ при въезде в Танайку. Здесь были обнаружены  листоватые лишайники - рамалина, но очень высок процент больных и мертвых лишайников.

 Таблица№4 Учетная таблица лихенометрической съемки на площадке №4

 Обозначения: (м) - мертвые лишайники.
Названия столбцов: м — мёртвые лишайник; ж - живые лишайники

Для облегчения анализа на основании первых четырех таблиц была построена таблица №5.
Таблица 5. Сводная таблица лихенометрической съемки в Танаевском лесу.

На основе данных сводной таблицы были построены гистограммы 1 и 2

Гистограмма №1

Гистограмма №2

        По гистограммам видно, что максимальная численность лишайников отмечается на участке № 1, но здесь обнаружены только накипные виды лишайников и единицы листоватых. На типичном лесном участке численность лишайников меньше, зато видовое разнообразие больше. Здесь были встречены гипогимния, эверния, рамалина и другие лишайники. На третьем участке, который находится около оздоровительного лагеря «Космос», где рядом расположена скважина по добыче минеральной воды, было отмечено активное движение грузового транспорта, этим, вероятно, объясняется бедное видовое разнообразие лишайников, а также относительная низкая численность и большое количество мёртвых и больных лишайников. Еще меньше лишайников, а среди имеющихся высок процент больных и мертвых лишайников на площадке №4, это связано, вероятно, с интенсивной работой АБЗ.

 Выводы.
Таким образом:
1. Было обнаружено З вида листоватых лишайников (рамалина, гипогимния, эверния) и один вид накипной формы лишайников (этот вид не определён).
2. Наименьшая относительная плотность проективного покрытия лишайников на высоте 90 см отмечено на площадке №4 (составляет 2,4%), здесь же обнаружены больные и мёртвые талломы лишайников (1,14%), что можно объяснять выбросами асфальтобетонного завода.                                                                                                                             З. Наибольшая относительная плотность проективного покрытая обнаружена на площадке № 1(Красная горка),было отмечено, что среди лишайников были в основном, накипные, только единицы листоватых, это можно объяснить отсутствием межвидовой конкуренции со стороны листоватых лишайников, вследствие чего накипные лишайники занимают господствующее положение.
4. Большое видовое разнообразие лишайников (3 вида) обнаружено на эталонных участках леса (площадка №2), причем все они принадлежат листоватым формам и идентифицируют здесь лучшее качество воздуха на высоте до 1 м. над уровнем почвы.
5. Хуже качественный состав воздуха на площадках №1 и №3,  №4о чём свидельствует бедное видовое многообразие лишайников (2 вида), причём к листоватой форме относится, только 1 вид, и наличие мёртвых лишайников (площадки №3, №4).

                                Обзор литературы.
      Лишайники по разному реагируют на загрязнённость воздуха: некоторые из них не выносят даже малейшего загрязнения,  другие, наоборот, живут только в городах и прочих населённых пунктах, хорошо приспособившись к соответствующим антропогенным условиям. Изучив это свойство лишайников, можно использовать их для общей оценки загрязнённости окружающей среды, особенно атмосферного воздуха.
    Долгое время не могли объяснить, какие именно факторы приводят к обеднению  и даже исчезновению флоры в городах. Позднее было показано, что у компонентов загрязнённого воздуха на лишайники самое отрицательное влияние оказывает двуокись серы. Концентрация SO2, равная 0,5 мг/м/ губительна для всех видов лишайников, произрастающих в естественных ландшафтах.
     Конечно, в городах на лишайники пагубно влияет не только двуокись серы, но и другие загрязнители — окись азота, окись углерода, соединения фтора, и другие. Кроме того, в городах сильно изменены микроклиматические условия — здесь «суше», чем в естественных ландшафтах, темнее, меньше света. Лишайники предпочитают сырые местообитания, и эти условия, конечно, оказывают на них определённое влияние. И всё же первый их «враг» в городах — загрязнённый воздух.
     Известны несколько способов использования лишайников в мониторинге и индикации для получения более точной и надёжной информации о состояния воздуха и изменении его свойств на интересующей территории. Это и сравнение современного состава всех видов лишайников с результатами предшествующих наблюдений в том же месте, и анализ состава лихенофлоры вдоль градиента от источника загрязнений до «чистой» территории картирование распространения ограниченного числа индикаторных видов, ряда показателей их представителей, например, покрытие субстрата, выраженность морфологических аномалий, для суждения о качестве воздушного бассейна. Также для оценки состояния  воздуха были предложены различные индексы, основанные на присутствии видов и их количественных и качественных оценках, из которых наиболее известен Индекс атмосферной чистоты (IAR); Индекс развития эпифитных лишайников (ИРЭЛ), интегрирует число видов лишайников в растре, оценки (в баллах) степени распространения вида как на всей обследованной территории города, так и в пределах площади конкретного растра, оценку степени надёжности обнаружения представителей вида на стволах деревьев в пределах территории того же растра; метиранговый коэфициент отражает экологические особенности территории в пределах растра.
На узколокальном уровне, то есть в пределах каждого конкретного растра, степень развития представителей каждого вида определяется условиями данного места, и чем более благоприятны они для вида, тем чаще можно встретить здесь его представителей, тем более значительную поверхность субстрата занимают их слоевища и более высока вероятность их обнаружения. Однако распространение и развитие лишайников даже в городе зависит не только от загрязнения, но и от наличия соответствующих местообитаний, степени их близости к естественным. С помощью специального коэффициента, имеющего логарифмическую лекалу, делается попытка ввести поправку в величину ИРЭЛ в связи с общей ландшафтно  - экологической неравноценностью территории города. Чем выше значение ИРЭЛ, тем более благоприятна экологическая ситуация на участке, занимаемом растром.

Приуроченность лишайников к различным субстратам.
Лишайники, очень медленно растущие организмы. Листоватые и кустистые лишайники растут быстрее, чем накипные. Средний возраст лишайников — 30-80 лет, а отдельные экземпляры доживают до 600 лет. Ввиду медленного роста лишайников необходимо условие их жизни – продолжительная  неподвижность субстрата.
      Лишайники — существенные компоненты растительного покрова равнинных и горных тундр и отчасти таежных лесов. Вытекающие из специфической двойной природы лишайников преимущества им расти в таких условиях, в которых не могут существовать другие организмы. Так, лишайники являются пионерами зарастания каменистых субстратов, осваивая их, они прокладывают дорогу другим растениям.
      Лишайники развиваются даже при отрицательных температурах, когда жизненные процессы остальных растений сильно замедлены; они создают сложную синузнальную структуру в тундровых фитоценозах и зачастую являются доминантами в местообитаниях, подверженных наиболее суровому воздействию факторов окружающей среды.
       Медленный рост слоевища не дает возможности лишайникам в более или менее благоприятных местообитаниях конкурировать с быстрорастущими цветковыми растениями или мхами. Поэтому обычно лишайники заселяют такие экологические ниши, где условия существования, слишком суровы для других растений. Так они обладают удивительной способностью поселятся на самых разнообразных субстратах: каменистых породах, почве, коре деревьев, на хвое, листьях вечнозелёных растений, на мхах. Лишайники поселяются также на стекле, костях, коже, железе и других предметах, при этом важно лишь одно — чтобы эти предметы пролежали неподвижно довольно длительное время.
    Хотя среди лишайников встречаются такие, которые способны расти на самых разных субстратах, всё же большинство видов обладают избирательной способностью и поселяются на немногих и даже на одном определённом субстрате.
     Географическое распространение многих лишайников прямо связано с их выборочным отношением к субстрату, хотя последний ‚ является причиной, ограничивающей их распространение. Безразличные к субстрату виды лишайников имеют более широкий ареал, чем виды, более требовательные к определённому субстрату. Есть лишайники, распространенные по всему земному шару, но таких относительно немного.

         Несмотря на тесную зависимость, существующей между лишайниками и субстратом, на котором они поселяются, ещё неизвестно, используют лишайники субстрат как место прикрепления, или они извлекают из него некоторые питательные вещества, необходимые для их жизнедеятельности. С одной стороны способность лишайников расти на субстратах, бедных питательными веществами, даёт основание считать, что они используют субстрат лишь как место прикрепления. Однако, с другой стороны, избирательная способность, проявляемая лишайниками при расселении, строгая приуроченность их к определённому субстрату, зависимость видового состава лишайниковой растительности не только от физических, но и от химических свойств субстрата наводит на мысль, что лишайники используют субстрат и как дополнительный источник питания.

                                         Роль лишайников в природе.

        Лишайники чрезвычайно широко распространены на земном шаре, они встречаются почти во всех наземных и даже некоторых водных экосистемах. Особенно велика их роль в тундровых, лесотундровых и лесных биоценозах, где они составляют заметную часть растительного покрова. Развиваясь на почве, стволах деревьев, валунах и скалах, лишайники образуют в биоценозах определённую роль в их жизни, динамике и круговороте веществ. Прежде всего, следует отметить, что с лишайниками связана большая группа животных. В основном, это беспозвоночные, но есть и крупные позвоночные животные, поедающие лишайники. В «лишайниковых зарослях» обитает огромное количество клещей, ногохвосток, сеноедов, гусениц листоедов, тараканов, пауков и других. Многие из них питаются слоевищами лишайников и продуктами их разложения. В биогеоценозах лишайники вместе с некоторыми насекомыми и другими беспозвоночными животными, а также со своей микросредой образуют особые биогеоценузии. Занимая такие экологические ниши, как стволы деревьев, поверхности валунов и другие, эти биогеоценузии усложняют структуру биогеоценозов, влияют на круговорот веществ в них, повышают эффективность использования солнечной радиации.
Используя энергию солнечных лучей,  поглощая минеральные соли для построения своего тела, лишайники образуют определённую фитомассу. Отмирание лишайников. Вследствие старения и механического повреждения некоторые слоевища лишайников опадают на поверхность почвы. В результате разложения различные вещества, заключённые в слоевищах, попадают в почву и способствуют накоплению ряда химических элементов в верхних её слоях и образованию почвенного гумуса.

 Краткое описание лишайников, встреченных  в Танаевском лесу.

         Род Гипогимния. Таллом  листоватый,  очень разнообразный по форме с тесно сближенными или налегающими друг на друга лопастями, слегка выпуклыми, разветвлёнными, слегка расширенными, вздутыми, внутри полыми. На стволах и ветвях хвойных и лиственных пород. Встречается почти повсеместно.

          Род Рамалина. Слоевище кустистое, прямостоячее, повисающее, жёсткое. Слоевщные лопасти плоские, зеленоватые, желтовато-сизые, серовато-зеленоватые. Сердцевина рыхлая. На стволах хвойных и лиственных деревьях.

      Род Эверния. Слоевище кустистое, повисающее, мягкое. Лопасти плоские или округлые, дихотомически ветвящиеся. Сердцевина рыхлая, паутинистая. Один из самых обычных родов. На деревьях хвойных, реже лиственных пород.

Контроль за выбросами в атмосферу загрязняющих                                                                                                                                 веществ.

ПДК – такие концентрации, которые на человека  его потомство не оказывают прямого или косвенного воздействия, не ухудшают его работоспособность, самочувствие, а также санитарно – бытовые условия жизни. Обобщение всей информации о ПДК, получаемой всеми ведомствами , происходит в ГГО – Главной геофизической обсерватории. Чтобы по результатам наблюдений определить загрязнение воздуха, высчитывают среднее допустимое ПДК. Загрязнение воздуха несколькими веществами оценивается с помощью комплексного показателя – индекса загрязнения атмосферы ИЗА. Наибольшие  максимальные концентрации характерны для городов с численностью населения более 500 тыс. жителей. Загрязнение воздуха специфическими веществами зависит от вида промышленности, развитой в городе. Если в крупном городе размещены предприятия нескольких отраслей промышленности, то формируется очень высокий уровень загрязнения воздуха, однако проблема снижения выбросов многих специфических веществ до сих пор остается нерешенной.

Рекомендации по охране Танаевского леса:

1. Для сохранения видового разнообразия Танаевского леса, находящегося на территории национального парка « Нижняя Кама» необходимо ограничить въезд автотранспорта, рекомендовать въезд транспорта на газовом топливе, которое является экологически более чистым.
2. На АБЗ установить современные очистные сооружения и усилить контроль над выбросами данного предприятия.

                                       Список литературы.

1. С.В. Алексеева. Практикум по экологии: Москва,1996г.
2. В.М. Басов. Растительный и животный мир национального парка «Нижняя Кама». УдГУ, Ижевск, 1997г.
3. Л.Г. Бязров Использование индекса развития эпифитных лишайников для оценки качества воздуха в Москве. В сборнике: Проблемы ботаники на рубеже ХХ-ХXI веков. С.-Петербург, 1998, том 2. с. 62-63
4. Жизнь растений в шести томах. Под редакцией Голлербаха, Москва, Просвещение, 1977
5. М.В. Кравченко, А.С. Боголюбов. Методика описаний лишайниковых сообществ: Москва, Экосистема, 1996г.
6. А.В. Пчёлкин, А.С. Боголюбов. Методы лихеноиндикации  загрязнений окружающей среды: Москва, Экосистема, 1997г.
7. В.А. Тычинин. Определитель лишайников: Учебное пособие. Ижёвск:
Изд-во Удм. Ун-та, 1994.                                                                                                                                                     8.  Большая советская энциклопедия т. 25 Государственное научное издательство «Большая советская энциклопедия» 1954г.                                                                                       9. Красная книга Татарстана.