Дипломная работа скуратов бакалавр 2021 (ЭКОЛОГИЯ И ПРИРОДОПОЛЬЗОВАНИЕ). ДИПЛОМ ВКР 2 (1). Образовательная программа По профилю подготовки бакалавров Общая Экология Выпускная квалификационная работа Пространственная вариабельность минерального состава растений северотаёжных экосистем в условиях аэротехногенного загрязнения
 Скачать 103.64 Kb.
|
|
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «РОССИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ПЕДАГОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ им. А. И. ГЕРЦЕНА»  Направление подготовки/ Специальность подготовки 05.03.06. «Экология и Природопользование» Основная (профессиональная) образовательная программа По профилю подготовки бакалавров «Общая Экология» Выпускная квалификационная работа «Пространственная вариабельность минерального состава растений северотаёжных экосистем в условиях аэротехногенного загрязнения» Обучающегося 4курса Очной формы обучения Скуратова Данила Олеговича Научный руководитель: доктор биологических наук, профессор Шамров Иван Иванович Санкт-Петербург 2021 СОДЕРЖАНИЕ ВВЕДЕНИЕ ГЛАВА 1. Обзор литературных источников. 1.1 Влияние аэротехногенного загрязнения на биогеоценозы. 1.2 Влияние ТМ и их поступление в растительный организм. 1.3Изменчивость лесных подстилок под влиянием ТМ. ГЛАВА 2.Характеристика северотаёжного района исследований. 2.1 История развития северотаёжного района . 2.2 Климатические особенности северотаёжного района. 2.3 Свойства почвы северотаёжного района . 2.4Особенности растительности север таёжного района. ГЛАВА3.Материалы и методы исследования. 3.1 Листовая диагностика северотаёжных экосистем. 3.2 Список исследования северотаёжных растений и объектов. 3.3 Методика химического анализа минерального состава растений северотаёжных экосистем. ГЛАВА4.Результаты исследования и их обсуждение. ВЫВОДЫ СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ Введение Одной из причин изменения минерального состава растений является аэротехногенное загрязнение. Данный фактор имеет особенность быстрого распространения и образования широких зон загрязнения. Эта проблема освящается в монографии «Динамика лесных сообществ северо-запада России». Авторы считают,что в северо-западном регионе РФ на территории Кольского полуострова, экосистемы находятся в прямом контакте с токсическим загрязнением атмосферного воздуха и почвенного покрова на протяжении нескольких десятков лет,что привело данные экосистемы(северотаежные леса) к существенной трансформации состава, структуры и продуктивности, изменению морфологических параметров и жизненного состояния особей и видовых популяций. В диссертации «Толерантность компонентов лесных экосистем Севера России к аэротехногенному загрязнению» описывается, что основными причинами повреждения растений в результате действия аэротехногенного загрязнения являются как прямое воздействие на растения поллютантов, так и изменение условий местообитания вследствие разрушения растительного сообщества, и мобилизации тяжелых металлов в кислой почвенной среде. В статье «СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ ПРОСТРАНСТВЕННОГО РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ЗАГРЯЗНЁННОСТИ ПОЧВ ТЯЖЕЛЫМИ МЕТАЛЛАМИ И СОСТОЯНИЯ ЭКОСИСТЕМ В ЛОКАЛЬНОЙ ЗОНЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ МЕДНО-НИКЕЛЕВОГО ПРЕДПРИЯТИЯ» представлен сравнительный анализ пространственного распределения загрязнённости почв токсичными ТМ и состояния экосистем, проведенный на основе результатов комплексного почвенно-геоботанического мониторинга . Несмотря на активно проводимые исследования воздействия промышленного аэротехногенного загрязнения на растительные сообщества еще недостаточно изучены допустимые токсические нагрузки на различные компоненты лесных экосистем и определены пределы их-устойчивости и толерантности для конкретных типов загрязнения, климатических зон и растительных сообществ. В связи с этим очевидна необходимость получения новой количественной информации по данной проблеме, и ее теоретическое обобщение позволит установить общие закономерности в ответной реакции компонентов экосистемы на воздействие стрессовых факторов. Цель работы-проследить изменение минерального состава растений северотаежных экосистем под воздействием аэротехногенного загрязнения тяжелыми металлами. Для достижения цели были поставлены следующие задачи: 1. Проанализировать современное состояние аэротехногенного загрязнения. 2. Проанализировать особенности северотаёжных экосистем. 3. Выявить и описать факторы, влияющие на минеральный состав растений. 4. Проанализировать и описать пространственную вариабельность минерального состава северотаёжных экосистем в условиях аэротехнического загрязнения. (МИКРОМОЗАИКА РАСТИТЕЛЬНОСТИ И ВАРИАБЕЛЬНОСТЬ ХИМИЧЕСКОГО СОСТАВА L-ГОРИЗОНТОВ ПОДСТИЛКИ СЕВЕРОТАЕЖНЫХ ЕЛЬНИКОВ КУСТАРНИЧКОВО-ЗЕЛЕНОМОШНЫХ* 2018 г. Н. А. Артемкина1 , М. А. Орлова2 , Н. В. Лукина2 'Институт проблем промышленной экологии Севера КНЦ РАН,). Материалы и методы Сбор материала проходил в центральной части Кольского полуострова в трех основных зонах импактной буферной и фоновой находящихся на различных расстояниях от комбината Североникель в Оленегорском районе Мурманской области, в направлении господствующих ветров. Это Атлантико-Арктическая зона умеренного климатического пояса, для которой характерен морской климат с переходом в континентальный. В лишайниково-зеленомошных сосновых и зеленомошных еловых лесах были собраны образцы : Хвои Сосны обыкновенной разного возраста, листьев черники, брусники, голубики, толокнянки обыкновенной, и талломов кладонии. В работе представленны,24 образца растительного опада , которые были собраны в результате полевой экспедиции проведенной сотрудниками БИН РАН. Для оценки уровня загрязнения происходит определение содержаниея подвижных форм тяжелых металлов в составе растительного опада, далее производится химический анализ . Навески сухого растительного материала озоляют в муфельной печи при t=450 c далее золу растворяют в HCl и фильтруют. В полученных растворах определяют содержание Ni,Cu,Co,Fe,Mn,Mg на атомно-абсорбционном спектрофотометре . Все анализы идут в 2х кратной повторности. Статистическая обработка данных производится методами корреляционного и регрессионного анализа. (Баркан В.Ш Загрязнение почвы никелем и медью от промышленного источника металлургических пылей//Экологические проблемы Северных регионов и пути их решения:Матер Всерос науч конф с междунар участием -Апатиты КНЦ РАН 2008). ГЛАВА I. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ 1.1 Влияние аэротехногенного загрязнения на биогеоценозы Медно-никелевый комбинат "Североникель" на Кольском полуострове является одним изкрупнейших и длительно (более 70 лет) действующих источников выбросов S02 и тяжелых металлов на севере Европы. Наиболее очевидным последствием воздействия выбросов этого предприятия является химическое загрязнение почв тяжелыми металлами, которое было задокументировано многими исследователями. Так, согласно данным проектов "Экогеохимия Кольского полуострова" [2, 19] и "Экогеохимия Баренц региона" концентрации основных металлов-загрязнителей Ni и Си в гор. О подзолов в локальной зоне воздействия комбината "Североникель" до 600 раз превышали фоновые значения; загрязнение почв этими металлами прослеживалось до 250—300 км от источника выбросов. Меньшие масштабы и степень загрязнения почв были также отмечены для широкого спектра сопутствующих элементов: Ag, As, Bi, Cd, Co, Cr, Fe, Hg, Mn, Pb, Sb, Sc, Tl, V, Zn и др. Анализ комплексных многолетних исследований показал, что выбросы преобладающего компонента — S02 не создают серьезных экологических проблем посредством подкисления атмосферных осадков и почв ни в локальной зоне , ни в регионе. Вместе с тем, прямоевоздействие повышенных концентраций S02 в воздухе является одной из наиболее вероятных причин сильного и широкомасштабного повреждения растительности в регионе Именно за счет косвенного воздействия выбросов через разрушение растительности и прекращение поступления растительного опада в почвах локальной зоны произошли наиболее значительные изменения: уменьшилось содержание органического вещества, началась эрозия почв,которые привели к изменению морфологического сложения почв и их классификационного положения на уровне подтипа и даже типа. Такие серьезные изменения самих почв не могут не сказаться на их способности аккумулировать тяжелые металлы, концентрации которых в атмосферных осадках продолжают оставаться очень высокими, несмотря на значительное сокращение объемов выбросов. (2017 г. Г. М. Кашулина) Тяжелые металлы (ТМ) поступают в лесные биогеоценозы (БГЦ) в составе глобальных атмосферных выпадений, а на импактных территориях оседают из аэротехногенных потоков. В современных условиях глобального техногенеза даже на фоновых территориях аэральный привнос большинства ТМ превалирует над их биоаккумуляцией растительностью и выносом из почв . Вследствие этого в почвах происходит накопление поллютантов, что в будущем может создавать опасность токсического воздействия на биоту и привести к экологическим рискам. Определение уровней содержания ТМ в почвах природных экосистем – одна из важных задач регионального почвенно-экологического мониторинга. В лесной подстилке и почве замыкаются различные миграционные потоки: биогеохимический,почвенно-геохимический, аэральный. Распределение большинства макро- и микроэлементов в растительном и почвенном покрове сформировано при активном участии процессов биологической аккумуляции [5]. Для некоторых ТМ, не включенных в биохимические процессы, более выражены процессы аэротехногенного поступления и миграции в почве. Напочвенное органическое вещество лесных ландшафтов, с одной стороны, служит временным резервуаром, в который выводятся значительные массы рассеянных металлов, а с другой стороны, в подстилках начинается перераспределение этих элементов в составе подвижных органических соединений, вовлекаемых в водную миграцию и биологический круговорот . Исследование содержания и распределения ТМ в подстилке и нижележащих слоях почвы необходимо для характеристики процессов аккумуляции и миграции этих элементов в различных лесных БГЦ. Строение лесных БГЦ формирует пространственную организацию их почвенных свойств .( © 2018 г. Д. Н. Липатов*, А. И. Щеглов, Д. В. Манахов) 1.2 Влияние ТМ и их поступление в растительный организм. Изменчивость концентраций элементов в химическом составе растений – одно из основных свойств растений. Масштабы этой изменчивости обусловлены потребностями в элементах минерального питания для выполнения физиологических функций по синтезу органического вещества и ролью элементов как структурных компонентов растительных тканей. Способность организмов реагировать на колебания природных и антропогенных факторов увеличением вариабельности их химического состава обеспечивает адаптацию организмов к меняющимся условиям среды . Метаболическая гетерогенность хвои ели является одним из механизмов приспособления ассимиляционного аппарата у хвойных деревьев . На основных этапах жиз ненного цикла для растений функционально важны биофильные элементы. Определение их содержания в составе побегов и хвои ели разного возраста в кроне деревьев важно как с точки зрения биологии этой древесной породы, так и для решения вопросов оптимизации обменных процессов в системе “почва–растение”. Световая и теневая хвоя сильно различаются по строению, химизму, физиологическим свойствам, калорийности, условиям и эффекту ее биогеохимической работы. В связи с этим интегральные показатели, характеризующие свойства фитомассы, не отражают ее сложной структуры и химизма . Концентрацию биофильных элементов в растениях целесообразно определять и для решения задач мониторинга окружающей среды. Как правило, для этих целей использовали содержание тяжелых металлов и редкоземельных элементов в растениях и почве.( 2010 г. В. Н. Второва, Л. Б. Холопова) Микромозаика растительности в лесных биогеоценозах определяет пространственную гетерогенность лесных почв, что особенно ярко отражается на составе их верхних органогенных горизонтов, формирующихся из опада доминирующих растений разного качества. Качество опада включает в себя два аспекта —содержание вторичных метаболитов и элементов питания — и является одним из важнейших факторов, определяющих скорость разложения опада и подстилки (Aerts, 1997; Zhang et al., 2008; и др.). В то же время качество опада относится к диагностическим критериям плодородия почв, характеризующим взаимосвязь между растительным и почвенным покровом (Лузиков и др., 2005; Орлова и др., 2011; Freschet et al., 2013). Качество опада существенно зависит от видов растений и индивидуальных генотипов (Hattenschwiler et al., 2005; Lang et al., 2009; Makkonen et al., 2012; Sundqvist et al., 2012). Из этого следует, что уровень поступления элементов питания и вторичных метаболитов с опадом зависит от видового состава растительных сообществ и вклада различных видов растений в состав растительного покрова. Вторичные метаболиты, в том числе фенольные соединения, выполняют защитную функцию в растениях (Dixon, Paiva, 1995) и вносят значительный вклад во взаимодействие растений с окружающей средой (Cheynier et al., 2013). Отдельно следует выделить существенную роль лигнина — трехмерного полимера фенольной природы (Ковалева, Ковалев, 2015; Ковалев, Ковалева, 2016). Будучи устойчивым к разложению компонентом, лигнин влияет на скорость разложения опада и, следовательно, затрагивает механизмы взаимодействия с организмами почвы и преобразования питательных веществ. Известно, что скорость разложения опада зависит от начальных концентраций в нем азота и других элементов минерального питания, как способных к ретранслокации внутри растений (например: калий, магний), так и не способных к ней и накапливающихся в стареющих органах (кальций, марганец), а также стехиометрических отношений С: N, лигнин: N, лигнин: целлюлоза и др. (Berg, 2000; Osono, Takeda, 2004) На начальных стадиях разложения накопление азота способствует разложению, тогда как на стадии лигнина оказывает обратное воздействие из-за угнетения грибов белой гнили. Кальций и марганец способствуют разложению на всех стадиях: кальций стимулирует рост грибов белой гнили, а марганец является компонентом фермента Mn-пероксидазы, отвечающего за разложение лигнина(Berg,2000). 1.3 Изменчивость лесных подстилок под влиянием ТМ. Подстилка является важнейшим компонентом биогеоценоза и интегральным показателем биологического круговорота, отражает основные направления функционирования экосистем, в своем строении и свойствах подчиняется биоклиматической зональности . Лесные подстилки обусловлены существованием древостоя и являются отражением факторов окружающей среды, основной индикаторной системой лесного биогеоценоза, местообитанием многих видов почвенной фауны, важным источником углекислоты и азота . Занимая промежуточное положение между поступившим опадом и собственно почвой и являясь источником органических соединений и резервуаром биогенных элементов, подстилка признана неотъемлемым фактором, формирующим лесные почвы, поэтому ее строение, запасы и химический состав чрезвычайно важны для понимания механизмов развития органопрофиля почв . Сочетая в себе высокую информативность по функционированию биогеоценоза и высокую доступность для наблюдения, подстилки являются важнейшим объектом для изучения. В исследовании лесных подстилок за рубежом в последние годы сформировалось несколько направлений. Первое – традиционное изучение влияния на подстилки различных факторов, например, пожаров . Анализируются процессы переноса наземного детрита с последующей ихаккумуляцией в смежных экосистемах, в том числе водных . Уделяется внимание гидрологическим характеристикам подстилок, в том числе специфике удержания ими влаги . Установлено, что со временем содержание ферментов в подстилках возрастает , а обогащение подстилки микро- и макроэлементами связано с поступлением их из почвы . Обращается внимание на роль калия в процессах разложения, которая ранее игнорировалась . Проводится анализ пространственного распределения подстилок и запасов углерода в рамках решения глобальных проблем . Возрастает интерес к формированию подстилки в условиях городских экосистем. Показано, что на загрязненных тяжелыми металлами участках процессы деструкции могут происходить более интенсивно по сравнению с естественными экосистемами . Второе направление связано с экспериментальными исследованиями. В частности, подчеркивается роль фотодеградации в процессах деструкции подстилок , анализируется роль внесения выбросов микроантропод на интенсивность разложения . Экспериментально изучена роль высоты снегового покрова в процессе минерализации наземного детрита с акцентом на особенности весеннего периода . Сравнительный анализ вытяжек из опада и корневой биомассы показал, что последние характеризуются более высокой кислотностью. В экспериментах показана неоднозначная роль хвои , с одной стороны, снижающей скорости разложения за счет низкого содержания азота, с другой – улучшающей водный режим подстилки. Кроме того, хвоя влияет на скорость разложения опада . Детальные исследования посвящены установлению взаимосвязи особенностей подстилок, подстилочной фауны и микробного пула. Нередко подчеркивается роль дождевых червей в процессах разложения . При этом для понимания процессов разложения ключевыми признаны два фактора – разнообразие детрита и разнообразие деструкторов . Общепризнана роль зоомикробного пула, обусловленная типологией подстилок. Типы подстилок детерминируют структуру подстилочной фауны , которая может на 50% определять интенсивность разложения растительных остатков, особенно на ранних стадиях сукцессий . Показано влияние уровня увлажнения на скорость разложения , при котором длительное и стабильное увлажнение стимулировало разложение лабильной части детрита. Обращают на себя внимание результаты крупномасштабных экспериментальных исследований интенсивности минерализации на основе стандартизированных образцов чая – 65% изменчивости в скоростях разложения приурочено к ранним стадиям . Расширяются масштабы изучения интенсивности разложения при различных сценариях изменения климата . Так, увеличение температуры может оказывать влияние на увеличение содержания лигнина и роста эктомикоризных грибов [64]. Наиболее общим положением, объединяющим исследования, является признание необходимости сочетания долгосрочных натурных и экспериментальных исследований. Таким образом, исследования показывают, что воздействие на почву растительности и других факторов максимально проявляется в поверхностных и близким к ним горизонтах, следовательно, и наибольшее варьирование свойств наблюдается обычно в верхних горизонтах почвы и подстилках . Поскольку подстилка по сравнению с почвой является более лабильным образованием, ее варьирование в пространстве и чувствительность к локальной пространственной изменчивости факторов почвообразования чрезвычайно высока, что создает определенные сложности при изучении .( О. В. Семенюк , В. М. Телеснина, *, Л. Г. Богатырев, А. И. Бенедиктова , Я. Д. Кузнецова) Древесный опад как источник органического вещества почв и элементов питания для биоты является одним из ключевых компонентов биогеохимических циклов в лесных сообществах и составляет основу общего опада в северотаежных лесах (Никонов,Лукина, 1994). Размеры и структура опада определяют запас лесной подстилки. Растительный опад – источник питания и место обитания для большинства беспозвоночных животных и микроорганизмов, обеспечивающих его минерализацию Известно, что воздушное загрязнение тяжелыми металлами и кислотообразующими веществами приводит к нарушениям в функционировании природных экосистем. Кислотообразующие соединения вызывают повреждения ассимилирующего аппарата хвойных древесных растений и дефолиацию деревьев не только в фенологические сроки, что способствует увеличению количества опада (Лукина, Никонов, 1998; Ярмишко, Лянгузова, 2013). |