Автор: Еричева Анна, 17 лет

Руководитель:

Кузнецова В.Ф.,инженер-исследователь ВНИИЭФ, к.б.н.

 

г.Саров, 2013

 

Введение

Интерес к контролю окружающей среды, в том числе, воздуха, в настоящее время неуклонно растёт. Одной из причин этого является продолжающийся рост техногенных выбросов в окружающую среду. В научной литературе описано много способов мониторинга загрязнения воздушного бассейна. Одним из них является — определение состояния воздуха по рН коры деревьев. Литературных данных по этому методу очень мало, но, несмотря на это, он нас заинтересовал. Мы решили его опробовать на практике и выяснить – можно ли с помощью этого метода определить экологическое состояние атмосферного воздуха на данной территории.

Цель работы: исследование рН коры некоторых пород деревьев на предмет использования этого показателя для мониторинга загрязнения воздуха.

Задачи:

  • знакомство с литературой по данной проблеме;
  • подбор пород  деревьев;
  • выбор фоновой территории  и территории с техногенным загрязнением;
  • отбор проб коры и проведение химического анализа;
  • набор статистического материала и проведение математической обработки результатов химического анализа;
  • проведение сравнительного анализа полученных результатов.

Работа проводилась летом 2012 года на территории г. Сарова. В качестве техногенно-загрязненной территории был выбран район перекрёстка улиц Зернова и Московская, где наблюдается интенсивное автомобильное движение. За фоновую территорию был принят район 3-го Филипповского озера. На выбранных для мониторинга участках был проведен визуальный осмотр произрастающих пород деревьев. Из всех встречающихся здесь видов деревьев выбраны два — сосна обыкновенная и липа мелколиственная, имеющие кислую и нейтральную кору соответственно. Эти породы являются общими  для территорий, на которых мы проводили исследования.

Литературный обзор

  1. Источники загрязнения атмосферного воздуха в г. Сарове

В городе Сарове зарегистрировано более 250 предприятий и организаций, имеющих стационарные и передвижные (автотранспорт) источники выбросов.

Более 80 % всех выбросов приходится на автотранспорт [1]. К выбрасываемым вредным веществам выхлопных газов автотранспорта относятся: угарный газ, углеводороды – несгоревшее топливо и оксиды азота, а также сажа. Кроме того, в выхлопных газах содержится токсичное вещество – свинец [2].

Основной вклад в загрязнение атмосферы от стационарных источников вносит теплоэлектроцентраль (ТЭЦ) – 80 % при работе на природном газе. При замене природного газа на уголь и мазут количество выбросов ТЭЦ увеличивается до 98% [1].

Анализ выбросов  трубами ТЭЦ показал, что основным загрязняющим веществом является оксид азота (более 900 тонн в год), в меньшей степени – оксиды серы (более 110 тонн в год), а также зола (около 17 тонн в год) [1].

Таблица 1. Интенсивность движения автотранспорта в г.Сарове в час пик [3]

Место отбора

Кол-во автотранспорта

в час

 1

3-е Филипповское озёро

 2

Улица Шверника

528

 3

Улица Духова

556

 4

Улица Силкина

1120

 5

Улица Пушкина

176

 6

Улица Александровича около школы №15

724

 7

Улица Александровича около школы № 5

196

 8

Улица Сахарова у клуба «Авангард»

248

 9

Проспект Ленина около ДДТ

1436

 10

Улица Зернова около Маслихи

3068

 11

Перекрёсток улиц Зернова и Московская

2764

 12

Улица Московская, около дома 21

1260

 13

Улица Зернова около школы № 17

1104

В работе [3] представлены результаты изучения загрязнения атмосферного воздуха в некоторых точках г. Сарова путём определения рН снежного покрова и измерения интенсивности движения автотранспорта на дорогах города. Полученные результаты свидетельствуют о том, что с увеличением количества транспорта увеличивается pH снега, то есть происходит защелачивание снега, что соответствует имеющимся литературным данным [4]. На фоновой точке были получены минимальные значения pH (6.4-6,8), хотя и они превышают значение pH для чистого снега, которое указывается в литературных данных (рН=5,6) [4]. Данные об интенсивности движения машин на дорогах г.Сарова представлены в таблице 1.

  1. рН коры деревьев – показатель загрязнения воздуха

Из литературы известно, что показатель рН является достоверным индикатором качества среды. Этот показатель довольно часто используют при мониторинге загрязнения различных сред: снежного покрова [3. 4], водоемов [4], для определения кислотности почвы [11] и т.д. По определению pH  или Водоро́дный показа́тель — это мера качества водной среды, отражающая ее кислотность или щелочность, и количественно выражает концентрацию ионов водорода в растворе, Вычисляется, как отрицательный десятичный  логарифм  концентрации ионов водорода, выраженной в молях на литр:

pH=-lg[H+]

рН выражается в условных единицах. Диапазон рН изменяется от 0 (очень кислотная) до 14 (очень щелочная среда), а 7 – нейтральная среда [5].

Согласно литературным данным кора деревьев бывает бедная минеральными и питательными веществами и богатая ими. Бедная кора, как правило, имеет более низкий показатель рН, и наоборот, богатая — более высокий показатель рН. Такие породы как сосна, ель, берёза, ольха и дуб имеют кислую кору (рН=3,1-3,4). Богатая, или она еще называется субнейтральная кора, имеет рН=4,7-7,1 и наблюдается у вяза, клёна, ясеня, липы, тополя и осины. Свойства коры одной и той же породы могут изменяться  в зависимости от общего геохимического фона. Кислотное загрязнение окружающей  среды ведёт к подкислению коры. При щелочном загрязнении, к которому относятся известковая пыль, зола, рН коры – повышается [6].

Р. Шуберт в своих исследованиях указывает, что рН коры дерева является хорошим методом аккумулятивной биоиндикации. Он представил данные, которые показывают, что под влиянием кислотных выбросов в атмосферу повышается кислотность коры [7].

В работе А.С. Постхумуса  (Posthumus) [8] для определения загрязнения воздуха и изучения его пространственно-временного распределения рассматриваются различные виды растений-аккумуляторов, а также ограничения по их применению, связанные с ростом растений и климатическими условиями. Относительно коры деревьев отмечено, что древесная кора может использоваться в качестве накопителя загрязняющих веществ без каких-либо ограничений, связанных с проблемами  быстрого роста растений.

Работы по мониторингу загрязнения воздуха с помощью коры деревьев проводились в различных городах Европы: в загрязнённом районе Кракова рН коры липы =3,3-4,2; в центре Стокгольма рН коры липы =2,4-2,9; в малозагрязнённом районе Германии рН коры липы = 4,9-5,6. Работы, которые проводились в Эстонии, в условиях умеренного загрязнения, показали, что рН коры липы =4,5-5,6, что почти соответствует естественному состоянию коры, и в одном случае была определена рН = 7,35, где явно наблюдалось локальное пылевое загрязнение [9].

Иб Джонсен (Ib Johnsen) и Ульрик Сочтинг (Ulrik Soching) в 1973 году провели исследование в Копенгагене по влиянию загрязнения воздуха на эпифитные лишайники и свойства коры лиственных деревьев. Эта работа важна для нас с методической точки зрения, т.к. эту методику мы взяли за основу в наших исследованиях.  В своей работе датские учёные отбирали пробы коры с липы, клёна, ясеня и вяза и определяли рН и получили следующие результаты: в центре города рН коры лиственных деревьев варьируется от 2,8 до 3,0, средний показатель равен  2,9. Однако в центре города встречаются и такие места, в которых рН коры имеет аномально-высокие значения, что объясняется загрязнением пылью, которой пропитывается кора деревьев. Исследователи также выявили взаимосвязь низких значений рН коры с обеднением видов лишайников по сравнению с фоновыми районами [10].

Объекты исследований

Объектом наших исследований является кора деревьев. В качестве модельных пород мы выбрали деревья с субнейтральной корой (липа) и кислой корой (сосна). Корой обычно называют наружную, периферическую часть ствола или ветви, более или менее легко отделяемую от внутренней (гораздо более плотной) массы древесины. В ботанике корой у древесных растений называют совокупность специализированных клеток и тканей, находящихся с внешней стороны от камбия и выполняющих защитную и проводящую функции.

Древесная кора образуется из тканей камбия. При делении клеток камбиального кольца, наряду с образованием клеток ксилемы (древесины), к наружной стороне  камбиального кольца формируются  клетки луба (флоэма), которые дифференцируются на 3 типа тканей: проводящую, запасающую и механическую защитную. Наружная часть древесной коры взрослого дерева – корка состоит в основном из мертвых тканей и поэтому физиологически не активна. Кора хвойного дерева имеет более простое строение по сравнению с корой лиственных деревьев [14].

Сосна обыкнове́нная  (Pínus sylvéstrisL.) — вечнозеленое хвойное дерево, которое широко распространено в умеренных широтах Европы и Азии. Относится к роду Сосна (Pinus), семейству Сосновые (Pinaceae). Это дерево имеет высоту 25—40 м и диаметр ствола 0,5-1,2 м. Ствол дерева прямой, крона высоко поднятая, вначале конусовидная, а затем становится округлой, широкой, с горизонтально расположенными в мутовках ветвями.

Кора сосны в нижней части ствола толстая, чешуйчатая, серо-коричневая, с глубокими трещинами. Чешуйки коры образуют пластины неправильной формы. В верхней части ствола и на ветвях кора тонкая, в виде хлопьев, которые легко отшелушиваются, и имеет оранжево-красный цвет.

Хвоинки расположены по две в пучке и имеют длину 4—6 см, толщину 1,5—2 мм. Цвет хвои серо- либо сизовато-зелёный. Продолжительность жизни хвоинок в Средней России, как правило, 2—3 года. Верхняя сторона хвоинок выпуклая, нижняя желобчатая, плотная, с хорошо заметными голубовато-белыми устьичными линиями [5].

Липа мелколистная или Л.сердцевидная (Tilia cordata Mill.) – листопадное дерево  семейства липовых (Tiliaceae). Широко распространено в Европе и Западной Азии. Высота дерева до 30 м, крона шаровидная. Стволы старых деревьев достигают 80 см в диаметре, покрыты темно-серой корой с продольными трещинками.

Листья сердцевидные, расположены на длинных тонких черешках. Цветки желтовато-белые, мелкие, душистые. Продолжительность жизни дерева до 300-400 лет. Очень теневынослива [5].

 

Методика исследований

В своей работе мы руководствовались методикой, которая представлена в работе Джонсена и Сочтинга (Johnsen and Sochting), 1973 г. [10].

Методика наших исследований состояла из методики отбора проб коры с деревьев, методики определения рН водного настоя проб коры и методики статистической обработки результатов химического анализа.

Основываясь на имеющихся у нас данных об источниках загрязнения атмосферного воздуха в г.Сарове, мы выбрали фоновую и загрязнённую территории. Затем выбрали две породы деревьев: с кислой и субнейтральной корой, которые были бы общими как для фоновой, так и для загрязненной территорий. На выбранных участках осмотрели деревья и выбрали неповрежденные, отдельно стоящие деревья, с прямым стволом, с диаметром стволов не менее 30 см. Выбирали деревья,  отстоящие друг от друга на небольшом расстоянии.

Отбор проб коры:

-пробы коры отбирались по окружности ствола на высоте 1,5 м от земли;

— кора срезалась в виде стружки или пластинок толщиной 0,5-3 мм;

— пробы коры очищались от посторонних примесей, например, лишайников и помещались в бумажные пакеты;

 P1010345

Отбор проб коры

Подготовка проб коры для анализа:

— кора высушивалась на воздухе при комнатной температуре;

— высушенная кора измельчалась до состояния порошка с помощью кофемолки;

-измельченная кора взвешивалась на лабораторных весах, и отбирались пробы в количестве 2 г.

 P1010475

Образец коры сосны

P1010477

Образец коры липы

 

Измерение рН коры:

-подготовленные измельченные пробы коры массой 2г заливалась дистиллированной водой в количестве 20 мл;

— каждая проба периодически перемешивалась в течение 5 часов (вручную и с помощью магнитной мешалки);

— пробы оставляли отстаиваться;

— измерение рН раствора проводилось через 24 часа с помощью электронного портативного рН — метра «Checker», имеющего диапазон измерения от 1 до 14 единиц рН и с разрешением  0,01 рН.

 P1010478 P1010480

Измерение рН

Cтатистическая обработка

-для обработки результатов химического анализа были использованы простейшие статистические методы [12, 13] и программа Excel.

Результаты исследований

Мы отобрали и проанализировали по 20 проб коры  сосны и липы с фоновой территории (район третьего Филипповского озера) и по 3 пробы коры  сосны и липы, отобранных с загрязненной территории (перекрёсток улицы Зернова и Московской), где наблюдается интенсивное автомобильное движение=2764 машин/час, см.табл.1. Полученные результаты определения рН коры представлены в таблицах 2 и 3.

 

Таблица 2 — определение рН коры деревьев на фоновой территории (район третьего Филипповского озера)

№ пробы

Липа

Сосна

4,44

3,70

4,05

3,53

4,15

3,70

4,62

3,90

4,07

3,77

4,29

3,82

4,26

3,70

5,09

3,90

4,22

4,01

4,18

3,75

4,25

4,02

4,39

3,85

4,18

3,87

4,29

3,80

5,30

3,84

4,21

3,87

4,48

3,90

4,35

3,82

4,15

3,74

4,11

3,84

Среднее значение

4,35

3,82

 

Таблица 3 – определение рН коры деревьев с загрязненной территории (перекрёсток улицы Зернова и Московской)

№ пробы

Липа

Сосна

1.

6,07

5,02

2.

6,35

4,95

3.

5,88

4,64

Среднее значение

6,10

4,87

 

Проведена статистическая обработка результатов химического анализа,  получены следующие показатели:  средние значения рН коры липы и сосны на  фоновой и загрязненной территориях, см. таблицы 2 и 3.

Для фоновой территории определено среднее квадратическое отклонение (стандартное отклонение) σ, которое отражает то, насколько полученные значения рН коры отличаются от средних показателей; вычислена ошибка среднего значения m = , где σ – среднее квадратическое отклонение, n-количество проб. Полученные результаты представлены в таблице 4.

Таблица 4 – статистические показатели определения рН коры деревьев на фоновой территории

Статистические показатели

Липа

Сосна

Среднее значение

4,35

3,82

Среднее квадратическое отклонение (стандартное отклонение)

0,3223

0,1131

Ошибка среднего

0,0721

0,0253

 

Определена  существенность различия (t) между средними показателями рН коры липы и сосны на  фоновой территории. Существенность различия (t)  определялась по формуле:

формула

v\:* {behavior:url(#default#VML);}
o\:* {behavior:url(#default#VML);}
w\:* {behavior:url(#default#VML);}
.shape {behavior:url(#default#VML);}

Где — среднее значение рН коры липы, — среднее значение рН коры сосны, -ошибка разности средних показателей рН коры липы и сосны;

формула001, где m1 и m2 – ошибки средних значений рН коры липы и сосны.

Мы получили, что показатель существенности различий средних значений рН коры липы и сосны равен 7,02. Считается, что при малом числе наблюдений (от 5 до 30) разница между средними показателями является существенной, если коэффициент достоверности различия t удовлетворяет требованиям:

 формула002

Сопоставление  полученных результатов показывает:

7,03>3,38.

Отсюда следует, что разница между рН коры липы и сосны на фоновой территории – существенна. Таким образом, для геохимического фона нашего региона рН коры липы = 4,35±0,07; рН коры сосны = 3,82±0,03.

Сравнение полученных показателей рН коры липы и сосны с фоновой территории (4,35 и 3,82) и с техногенно-загрязненной территории (6,10 и 4,87) показало, что в данной местности преобладают загрязнители, имеющие щелочной характер, что вызывает защелачивание коры деревьев.

Полученные значения рН коры соответствуют литературным данным в том плане, что кора сосны более кислая, чем у липы. Полученные показатели рН коры липы для фоновой и загрязненной территорий (4,35;  6,10) также соответствуют литературным данным для ряда европейских стран (4,7-7,1).

Сравнение значений рН коры сосны, полученных нами для фоновой и загрязненной территорий  (3, 82; 4,87) и литературных данных (3,1-3,4) указывает на более щелочной характер коры сосны в нашем регионе.

Полученные нами результаты по мониторингу загрязнения воздуха г. Сарова с помощью коры деревьев, которые  указывают на его  щелочной характер, согласуются с результатами работы по мониторингу загрязнения воздуха нашего города с помощью снежного покрова [3], 2011г. Определение рН снега показало, что с увеличением количества автотранспорта на дорогах, увеличивается pH снега, то есть происходит защелачивание снега, и даже на фоновой территории в г.Сарове снег более щелочной (pH =6.4-6,8) по сравнению с имеющимися литературными данными для чистого снега =5,6.

ВЫВОДЫ

Для геохимического фона нашего региона рН коры липы = 4,35±0,07; рН коры сосны = 3,82±0,03.

На фоновой территории рН коры сосны существенно отличается от рН коры липы; кора сосны  более кислая, чем у липы.

Использование коры как сосны, так и липы указывает на щелочной характер загрязнения воздуха г.Сарова, что соответствует результатам предыдущих исследований с применением других индикаторов.

Таким образом, кора деревьев может использоваться для мониторинга загрязнения атмосферного воздуха.

Список литературы:

  1. Авторы-составители: Л. Н. Шляпугина, И. Е. Морозова,  М. В. Першина. Доклад о состоянии окружающей среды и природных ресурсов ЗАТО город Саров в 2006 году. / Саров: Администрация г. Сарова, 2007. – 38 С.
  2. Панькина Н., Горбачева Т. Использование спектрального анализа для изучения загрязнения снежного покрова на территории школ г. Сарова. Исследовательская работа.  – Саров: ЦВР, 2001. –20 С.
  3. Пикулева В. Загрязнение снежного покрова на территории города Сарова. Исследовательская работа.  – Саров: ЦВР, 2012. –15 С.
  4. Методические рекомендации по обследованию водоёмов. Авторы-составители: Е.В.Орлов, С.Б. Шустов, К. А. Орлова. — Нижний Новгород: Экологический центр «Дронт», 1994. – с. 28-29.
  5.   http://ru.wikipedia.org/wiki/
    6. Мартин Л.Н. и Нильсон Э.М. Устойчивость эпифитных лишайников           в различных условиях загрязнения /Биогеохимические аспекты      криптоиндикации.-Таллин, 1982.

7. Биоиндикация загрязнений наземных экосистем /Под ред. Р.Шуберта.-М.: Мир, 1988. — 248 с.

8. Постхумус  Адам С. Мониторинг состояния и воздействия загрязнения атмосферы /Загрязнение воздуха и жизнь растений. Под ред. Майкла Трешоу.-Ленинград, Гидрометеоиздат, 1988, с.105.

9. Лийв С.Э. Распределение эпифитных лишайников и свойства коры деревьев г.Вильянди / Биогеохимические аспекты криптоиндикации.-Таллин, 1982.

10. Johnsen Ib and Soching Ulrik «Influence of air pollution on the epiphyticlichen vegetation and bark properties of deciduous trees in the Copenhagen area.» (OIKOS 24:344-351. Copenhagen 1973).
11. Матерна Я. Воздействие атмосферного загрязнения на природные  экосистемы /Загрязнение воздуха и жизнь растений. Под ред. Майкла Трешоу.-Ленинград, Гидрометеоиздат, 1988, с.447.
12. Простейшие методы статистической обработки результатов экологических исследований: Методическое пособие. Составитель А.С. Боголюбов – М.:Экосистема, 1998.- 17с.
13. Дворецкий М.Л. Пособие по вариационной статистике. –М.: Лесная промышленность, 1971.
14. http://www.technologywood.ru

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

You may use these HTML tags and attributes: <a href="" title=""> <abbr title=""> <acronym title=""> <b> <blockquote cite=""> <cite> <code> <del datetime=""> <em> <i> <q cite=""> <s> <strike> <strong>