169534 (Изучение экологических особенностей биологического мониторинга Калужской области по стабильности развития берёзы повислой)

Министерство образования Российской Федерации

Калужский государственный педагогический университет

им. К.Э. Циолковского

Тема:

Изучение экологических особенностей биологического мониторинга Калужской области по стабильности

развития берёзы повислой

ВВЕДЕНИЕ

В современной практике экологических обследований чрезвычайно редко встречаются случаи влияния на окружающую среду лишь одного действующего фактора. При этом хорошо известно, что различные воздействия могут: взаимно ослаблять действие друг друга, в разной степени обезвреживаться средой в процессе самоочищения, создавать новые, вторичные, факторы воздействия, усиливать воздействие друг друга на живые объекты (синэргетный эффект).

Следовательно, для объективного заключения о качестве среды, необходима интегральная характеристика ее состояния.

Именно живые организмы несут наибольшее количество информации об окружающей их среде обитания, и отклик у них формируется в ответ на весь комплекс присутствующих воздействий, а не на каждое из них в отдельности.

Реакция живого организма позволяет оценить антропогенное воздействие на среду обитания в показателях, имеющих биологический смысл. (Захаров, Крысанов, 1996). Видами–биоиндикаторами называют виды по наличию, состоянию или поведению которых судят об изменениях в окружающей среде или ее характерных особенностях (Бурдин, 1985).

Одним из перспективных подходов для интегральной биоиндикационной характеристики качества среды является оценка состояния живых организмов по стабильности развития (гомеостазу развития). Снижение эффективности данных механизмов приводит к появлению незначительных, ненаправленных отклонений от нормального строения различных морфологических признаков, обусловленных нарушениями развития. Оценить такие изменения можно на основании анализа уровня флуктуирующей асимметрии (Waddington, 1957; Van Valen, 1962; Астауров, 1978; Захаров, 1987; Струнников, 1991; Захаров, 2001).

Среди всех биоиндикаторов растения наиболее удобны, т.к. они - основные продуценты, находятся на границе двух сред - почвы и воздуха, ведут прикрепленный образ жизни, доступны и удобны в сборе материала. Для биоиндикационной характеристики больших территорий лучше использовать древесные растения, так как травянистые растения в большей степени отражают микробиотопические условия (Захаров др., 2000а).

В качестве объекта исследования в данной работе использовалась берёза повислая (Betula pendula Roth.). Этот вид достаточно давно и успешно используется как вид-биоиндикатор качества среды (Чистякова, 1997; Константинов, Стрельцов, 1999; Захаров и др., 2000а,б); массовый и распространенный; входит в состав разнообразных биотопов (экосистем), его ареал включает степные и лесостепные зоны в Скандинавии, в Средней и Атлантической Европе, в Средиземноморье, на Балканах, Западной Сибири и на Алтае. Поднимается до высоты 2100-2500м.; обладает четкими и удобно учитываемыми признаками (Чистякова, 1997).

Необходимо учитывать, что использование березы в качестве вида-биоиндикатора полностью отражает только комплекс факторов наземных экосистем. Хотя исследования в Калужской области (Стрельцов и др., 1998;Стрельцов и др, 2000б) и в г. Каланинграде (Московской обл.) (Барсук и др.,1996) обнаружили тесную взаимозависимость экологического состояния рек и прилегающих наземных участков, необходимо учитывать специфику обследования и оценки водной среды, выбирая другие виды индикаторов.

Однако, целый ряд вопросов использования березы как вида-биоиндикатора остается нераскрытым. Недостаточно сведений о нарушении стабильности развития на экологической периферии ареала. Не изучены закономерности пространственного площадного распределения коэффициента асимметрии этого вида. Работы в этом направлении крайне малочисленны, особенно с использованием ГИС-технологий.

Учитывая, что биологическая система любого уровня организации является динамичной структурой во времени, а проведение биоиндикационных исследований позволяет провести лишь рекогносцировочную оценку, отражающую ситуацию в конкретный отрезок времени, то важное теоретическое и практическое значение имеют периодические наблюдения за изменением качества природной среды (биомониторинговые наблюдения) с оценкой именно биологических параметров. (Николаевский, 1981; Бурдин, 1985).

Биологический мониторинг, с точки зрения методологии, играет главенствующую роль среди всех типов экологического мониторинга, т.к. возникновение самой биосферы на Земле, ее развитие, устойчивость, возможность продолжения цивилизации зависят от деятельности биоты. В.И. Вернадский (1967)в учении о биосфере обосновал важное для мониторинга положение о том, что биота в процессе жизнедеятельности создает те биогеохимические круговороты материи и превращения энергии, благодаря которым обеспечиваются, с одной стороны, необходимые условия для жизни, с другой - автоматизм работы систем саморегуляции биосферы, обеспечивающих в конечном счете поддержание условий для продолжения жизни на Земле.

Крайне интересным и перспективным методом интерпретации биоиндикационных данных является применение ГИС-технологий. Работы в этом направлении крайне малочисленны, и тем более это относится к работам с использованием березы повислой (Шестакова и др., 1998; Шпынов, 1998; Емельянова, 2000; Стрельцов и др., 2001).

Актуальностью данных вопросов определена цель дипломной работы: используя биоиндикационный метод оценить качество среды территории Калужской области.

Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:

1. Провести биомониторинг территории Калужской области по стабильности развития Березы повислой.

2. На основе полученных результатов оценить качество окружающей среды.

3. Выявить тенденции по изменению качества окружающей среды.

Актуальность темы

Рост численности населения и развитие техносферы существенно расширили область взаимодействия человека и природы. Действуя, не считаясь с законами живой природы и нарушая экологическое равновесие для удовлетворения своих потребностей, человечество, в конечном итоге, поставило себя в еще большую зависимость от состояния окружающей среды. Для выживания и дальнейшего развития человечества необходимы изучение Земли как целостной системы и формирование банка данных и знаний о процессах и элементах природной среды и общества в широком спектре их взаимодействия, анализ, оценка и прогнозирование динамики явлений и процессов, происходящих в окружающем мире с целью принятия экологически грамотных решений в сфере взаимодействия природы и общества (Экоинформатика, 1992).

В последние годы биологическая наука начинает занимать важное место в системе представлений о мониторинге состояния окружающей среды (Бурдин, 1985). Многие разделы биологии, и в первую оче­редь экология и физиология, используются для разработки тео­ретических и практических основ наблюдения за состоянием биологической компоненты окружающей среды. Усилия пред­ставителей разных биологических специальностей направлены на разработку организационных, пространственных и временных связей главных подсистем структуры биологического монито­ринга как части единой информационно-оперативной службы управления качеством окружающей среды.

Наиболее успешно биологический мониторинг развивается в рамках двух тесно связанных направлений – диагностического и прогностического. В соответствии с целями и задачами био­логического мониторинга сбор данных об уровне загрязнения биоты входит в компетенцию диагностического мониторинга, а все экспериментальные исследования осуществляются в рам­ках прогностического мониторинга.

Функциями мониторинга являются (Бурдин, 1985; с изменениями):

Из двух указанных целей мониторинга «оценка» является основой для принятия тактических (оперативных) решений, «прогноз» – для принятия стратегических (долговременных). Оба вида мониторинга име­ют самостоятельное значение и на ранних этапах внедрения могут существовать независимо. Однако только при взаимном дополнении данных, полученных при диагностическом и прогно­стическом мониторингах, может быть осуществлена полноцен­ная программа мониторинга загрязнения среды.

Для обнаружения относительного уровня загрязнения среды в рамках диагноза используют организмы-биоиндикаторы, к которым предъявляется ряд требований. Главной задачей этого вида мониторинга является измерение уровня загрязнения биоты выбранного региона с определенной периодичностью. Экспериментальную основу прогностического мониторинга со­ставляет биотестирование, с помощью кото­рого определяются скорости накопления загрязняющих ве­ществ, а также их выведения и де­градации.

Основу биологического мо­ниторинга составляют наблюдение, оценка и прогноз состояния биотической составляющей биосферы, затронутой и незатрону­той антропогенной деятельностью.

Можно утверждать, что на стыках ряда наук – биологии, геофи­зики, географии и др. – родилось новое научное направление, которое не может целиком принадлежать лишь одной из традиционных дисциплин.

Дальнейшее развитие теоретических и мето­дологических вопросов мониторинга диктуется необходимостью существенно повысить уровень практической значимости резуль­татов, получаемых в процессе реализации программ мониторинга. Особенно это относится к таким разделам, как биологиче­ский, экологический и фоновый мониторинг.

Мониторинг антропогенных изменений лежит в основе наблюдений, оценки и прогноза состояния преобразованной и искусственной окружающей среды, равно как и фоновый мо­ниторинг, с помощью которого осуществляется наблюдение и оценка фонового состояния биосферы, прогноз и выявление тен­денций изменения этого состояния (Захаров, 1999).

Особую актуальность данной теме придает то, что пространственный анализ по интегральным показателям с последующей картографической оценкой параметров здоровья среды, пока очень редко применялся. Известно всего несколько публикаций на эту тему.

Глава 1. Флуктуирующая асимметрия как биоиндикационный параметр

Ввиду того, что цель работы - изучение особенностей показателя флуктуирующей асимметрии листовой пластинки березы повислой Betula pendula Roth. и возможностей его использования для биоиндикационной оценки качества среды изучаемой территории, в данной главе представляется необходимым рассмотреть следующие вопросы:

1. Явление флуктуирующей асимметрии как один из типов асимметрии;

2. Использование анализа флуктуирующей асимметрии для целей биоиндикации;

3. Использование анализа флуктуирующей асимметрии листовой пластинки березы повислой Betula pendula Roth. для целей биоиндикации.

Необходимо отметить, что основные положения теории флуктуирующей асимметрии разрабатывались с использованием в большей части зоологического материала. Работы с ботаническими объектами крайне малочисленны и основная их часть появилась за последние несколько лет.

1.1. Явление флуктуирующей асимметрии как один из типов асимметрии

1. Флуктуирующая асимметрия и различные типы асимметрии

Явление симметрии в природе, как вид согласованности отдельных частей, который объединяет их в единое целое – одно из наиболее общих явлений, свойственное неживой и живой материи на разных уровнях организации

(Вейль, 1968). Анализу этого явления в живом мире посвящено большое количество работ, затрагивающих разные аспекты: философский (Урманцев, 1974;Готт, Хоменко, 1977; Никонов, 1977; Петухов, 1981, Толстопятенко, 1993,1994), общебиологический (Ludwig, 1932; Гаузе, 1940; Касинов, 1973; Neville, 1976), конкретные проявления у различных организмов (Danforth, 1924; Colyer, 1951; Yamaguchi, 1977; Vermeij, 1977; Dunham, 1981; Govind, 1984) и т.д.

Ввиду того, что данная работа посвящена анализу листовой пластинки березы повислой Betula pendula Roth., ограничим рассмотрение симметрии билатеральным типом этого явления, характерным для подавляющего большинства листовых пластинок растений (Урманцев, 1960; Урманцев, 1961). Подобная ограниченность форм симметрии листьев растений ярко демонстрирует принцип сформулированный П.Кюри: рост наклонно и по горизонтали порождает единственную плоскость симметрии (Curie, 1908).