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.