gototopgototop

Новый подход при оценке состояния природных систем с использованием коэффициента флуктуирующей асимметрии

Гуртяк Александр Анатольевич - аспирант Югорского государственного университета. (г. Ханты-Мансийск)

Аннотация: Изучена пространственно-временная динамика коэффициента флуктуирующей асимметрии. Оценено влияние метеорологических характеристик климата и химического загрязнения компонентов окружающей среды на флуктуирующую асимметрию. Разработан и апробирован новый способ оценки состояния природных систем на основе модифицированного коэффициента флуктуирующей асимметрии.

Ключевые слова: Биоиндикация, флуктуирующая асимметрия, береза повислая (Betula pendula R.).

Изменения природной среды под влиянием урбанизации и хозяйственной деятельности человека усиливаются, вследствие чего возникла необходимость оперативной оценки негативных изменений состояния окружающей природной среды. В настоящее время такая оценка особенно актуальна для городских территорий. Согласно данным “НПЦ Мониторинг” [1] за 2010 г. состояние окружающей среды в Ханты-Мансийске остаётся удовлетворительным. Однако полученные результаты основываются на сравнении узкого круга поллютантов с нормативами (ПДК). Благодаря проведению комплексных экологических исследований можно получить более объективные результаты, проведя не только оценку загрязнения компонентов в отдельности, но и экологическое состояние природной среды в целом.

Целью данной работы является разработка модифицированной методики экологической оценки урбанизированных территорий на примере г. Ханты-Мансийска с использованием берёзы повислой (Betula pendula R.) в качестве биоиндикатора техногенных воздействий.

Для определения состояния экосистем города, прежде всего, используется мониторинг зеленых насаждений. В работах [2,3] и др. была обоснована возможность использования асимметричности листа в качестве неспецифического показателя отклонения от нормы развития растения, связанного с влиянием различных стрессовых факторов, в том числе загрязнения окружающей среды. Степень несимметричности листа выражается в виде коэффициента флуктуирующей асимметрии (ФА). Высокий показатель асимметрии указывает на неблагоприятные условия произрастания тест-объекта, а низкий – указывает, что условия среды близки к нормальным [2].

В работах [4,5] показаны основные результаты проведения оценки состояния окружающей среды Ханты-Мансийска с использованием коэффициента ФА. В 2011 году работы были продолжены. Оценка проведена на основе большого числа точек отбора проб, расположенных на территории города (124 шт.) и за его пределами (6 шт.). Общее количество обследованных листьев с 2003 г. по настоящее время составляет около 20 000 единиц, а деревьев – около 350.

Обнаружено, что наиболее негативное антропогенное влияние приходится на объекты, расположенные в пределах города. По результатам биомониторинга общая экологическая обстановка г. Ханты-Мансийска в 2011 г. характеризуется средними отклонениями от нормы (среднее значение коэффициента ФА = 0,04765) при выборке 1600, стандартном отклонении 0,027 и доверительном интервале 0,0013.

Все исследуемые территории за пределами городской черты характеризуются благоприятными условиями среды за исключением восточных и северо-восточных территорий, что связано, по-видимому, с тем, что западные и юго-западные ветра, по данным метеорологических наблюдений, являются преобладающими.

Для оценки динамики изучаемого показателя во времени составлена таблица средних значений коэффициента ФА г. Ханты-Мансийска без учёта загородных территорий (табл. 1). Из таблицы 1 видно, что уровень коэффициента ФА в целом снижается.

Таблица 1. Средние значения коэффициента ФА для территории Ханты-Мансийска и доверительный интервал коэффициента ФА

Год

2003

2004

2005

2006

2007

2008

2009

2010

2011

сред.

ФА

0,056

0,052

0,051

0,052

0,054

0,049

0,048

0,048

0,048

0,051

Доверит.

интервал

0,006

0,006

0,002

0,005

0,005

0,005

0,005

0,005

0,004

0,005

Балл

V

IV

IV

IV

V

III

III

III

III

IV

В виду отсутствия в городе промышленных предприятий основное влияние на состояние среды города оказывает автотранспорт, что подтверждают химические анализы компонентов среды, опубликованные в работах [4,5]. По-видимому, переход на экологически более чистые автомобили с современными системами контроля работы двигателя в связи с ужесточением требований к выхлопным газам в России и мире, а также постепенная замена российских автомобилей импортными привели к улучшению среды в рассматриваемом регионе.

Использованная в работе  методика по определению коэффициента ФА [2] требует значительных затрат времени, особенно в случаях, когда необходимо подвергнуть обработке большой объём собранного материала. В связи с этим разработана и апробирована модификация методики, позволяющая сократить трудовые и временные затраты.

Определение величины площади левой и правой половинки листа, а затем их попарное сравнение может стать новым признаком коэффициента ФА. Для этого произведена его оценка на соответствие закону нормального распределения. Как показал анализ с применением критерия Колмогорова-Смирнова (оценка характера распределения (R–L) изучаемого признака) значения выборок соответствуют закону нормального распределения. Таким образом, мы косвенно подтверждаем отсутствие проявления направленной асимметрии и антисимметрии у изучаемого признака.

Также проведён анализ на наличие корреляционной связи между абсолютными значениями асимметрии (R-L) и средними значениями признака (R+L)/2. Анализ проводился для всех групп листьев, было задействовано 10 000 абсолютных и 5000 средних значений. Корреляция между значениями (R–L) и (R+L)/2 не наблюдается, что позволяет говорить об отсутствии влияния размера (величины) признака на ФА листовых параметров (r = 0,04; р < 0,05).

Далее определена технология, позволяющая измерить площади фигур сложной конфигурации листовых пластинок, состоящая из трёх этапов.

На первом этапе листья сканируются. Далее полученные изображения подготавливаются в редакторе изображений, например Adobe Photoshop для классификации т.е. затирается черешок листа и по главной жилке разрезается на левую и правую половинки. На втором этапе в среде ERDAS IMAGINE v.9.2 изображение классифицируется. Таким образом, разграничивается листовая пластинка и окружающий фон. На последнем этапе изображение переводится из растрового в векторный формат, и в среде ArcMap v.9.2  из таблицы атрибутов выносятся данные величин отсканированных объектов. На их основе рассчитывается коэффициент асимметрии для данного промера.

В процессе анализа данных обнаружено, что значения промеров на левой и правой сторонах листа тесно коррелируют (r = 0,92 при n = 8000). В то же время значения разных промеров, а также величины их ФА, являются нескоррелированными между собой. Самые низкие коэффициенты найдены для третьего (r = 0,03) и пятого (r= 0,11) промеров из классической методики, что говорит об отсутствии связи с площадным промером. Наибольшие коэффициенты получены для второго (r = 0,49) и четвёртого (r = 0,39) промеров.

Площадной промер не в полной мере характеризует асимметричность листа т.к. не учитывает отклонения от нормы в центре листовой пластинки (промеры три и пять из классической методики). Использование на практике только одного площадного признака для оценки условий среды является недостаточным. К тому же при работе с одним признаком увеличивается элемент ошибки. Поэтому к площадному признаку необходимо добавить третий и пятый промеры из методики Захарова [2]. В результате количество промеров снижается с пяти до трёх.

На основе материалов данной работы также разработана и предложена модифицированная балльная шкала (табл. 2). Построение шкалы и вычисление границ баллов проводилось на основе разработанных подходов в рамках работы [6].

Таблица 2. Нормативные и модифицированные величины интервалов пятибалльной шкалы для коэффициента ФА

Балл

Состояние среды

Нормативная величина коэффициента ФА

Модифицированная величина коэффициента ФА

I

Условно нормальное

< 0.040

< 0.025

II

Начальные отклонения от нормы

0.040 - 0.044

0.025 – 0.045

III

Средний уровень отклонений

0.045 - 0.049

0.045 – 0.060

IV

Существенные отклонения

0.050 - 0.054

0.060 – 0.080

V

Критическое состояние

> 0.054

>0.080

Предлагаемый вариант пятибалльной шкалы позволяет более правильно учитывать фактические градации качества среды на основе изменённого комплекса признаков листовой пластинки. Полученная шкала применялась в подзоне средней тайги и, возможно, будет пригодна на более обширной территории.

Начиная с 2009 года, ежегодно проводится оценка состояния среды г. Ханты-Мансийска с помощью модифицированного коэффициента ФА (на основе трёх промеров). При сопоставлении балльных оценок разных методик в 70% случаев получены идентичные баллы условий среды, оценённые по средним значениям. При интерпретации полученных коэффициентов ФА с учётом доверительного интервала различий между методиками не обнаружено. Также наблюдается высокая корреляционная связь между изучаемыми коэффициентами (r = 0,85, при n = 10 000).

По результатам биомониторинга с применением модифицированного коэффициента ФА построены карты, отражающие условия среды на территории г.Ханты-Мансийска. Анализ карт показал, что участки с наиболее благоприятными (I и II балл) и неблагоприятными условиями среды (IV и V балл) находятся на одних и тех же районах города вне зависимости от применяемого метода оценки. Однако отмечено, что районы в центральной части города с применением классической методики характеризуются критическими условиями среды (V балл), а с применением модифицированного коэффициента ФА характеризуются сильными отклонениями от нормы (IV балл). Оценка состояния среды с применением модифицированного коэффициента ФА более соответствует реальным параметрам растений полученных в результате визуальной оценки проводимых в те же года.

Рассматривая новый подход в целом, считаем его достаточно эффективным инструментом в изучении отклонений развития растений. Разработанная модификация методики может быть использована как инструмент морфологического анализа, наряду с другими методами оценки флуктуирующей асимметрии. В виду теоретической и практической значимости необходимо опробовать предлагаемую модификацию методики за границами средней тайги.

Список литературы:

1. Информационный бюллетень “О состоянии окружающей природной среды Ханты-Мансийского автономного округа – Югры в 2010 году” – Ханты-Мансийск: ЗАО “Сибирский издательский дом”, 2011. – 119 с.
2. Захаров В.М., Баранов А.С., Борисов В.И. и др. Здоровье среды: методика оценки. Оценка состояния природных популяций по стабильности развития: методологическое руководство для заповедников.– М.: Центр экологической политики России, 2000. – 68 с.
3. Захаров В.М., Чубинишвили А.Т., Дмитриев С.Г., Баранов А.С. и др. Здоровье среды: практика оценки. – М.: Центр экологической политики России, 2000. – 318 с.
4. Гуртяк А.А., Углев В.В. Оценка состояния среды городской территории с использованием березы повислой в качестве биоиндикатора. Известия Томского политехнического университета. Науки о Земле. Т. 317. – № 1 – 2010. – С. 200–204.
5. Гуртяк А.А., Углев В.В. Исследование флуктуирующей асимметрии и её пригодность для мониторинга зелёных насаждений // Наука и современность – 2010: сборник материалов VI Международной научно-практической конференции: в 2-х частях. Часть 1 / под общ. ред. С.С. Чернова. Новосибирск, 2010. – 415с.
6. Константинов Е.Л. Особенности флуктуирующей асимметрии листовой пластинки березы повислой как вида биоиндикатора: автореф. дис. канд. биол. наук: 03.00.16 - Калуга, 2001. - 21 с.

Интересная статья? Поделись ей с другими:

Внимание, откроется в новом окне. PDFПечатьE-mail

Отправить статью

...

Форма оплаты

Номер статьи, присвоенный редакцией
Количество страниц в статье
Количество экземпляров журнала
Доставка: РФСНГ
Скидка (%)
Заказать свидетельство о публикации
1. Стоимость публикации каждой страницы статьи составляет 200 рублей.
2. Стоимость каждого экземпляра журнала, включая его печать и доставку, составляет 350 рублей для России и 420 рублей для стран СНГ.
3. Стоимость свидетельства о публикации составляет 120 рублей

Реквизиты для оплаты через банк