Спосіб оцінювання антропогенної трансформації екотопів з використанням індикаторних ознак capsella bursa-pastoris (l.) medic.

Реферат: Спосіб оцінювання антропогенної трансформації екотопів з використанням індикаційних параметрів Capsella bursa-pastoris (L.) Medic. включає збір рослинного матеріалу для вивчення, де вимірюють морфологічні індикаційні ознаки досліджуваного об'єкта, проводять первинну статистичну обробку отриманих даних, розраховують сумарний індикаційний показник та визначають на його основі ступінь забруднення навколишнього природного середовища. Використовують один вид-індикатор Capsella bursa-pastoris (L.) Medic., вимірюють широкий спектр його індикаційних морфологічних параметрів, а саме: фоліологічні (показники листків), карпологічні (показники плодів та насіння) та загальні морфологічні параметри (розмірні характеристики рослини), виділяють найбільш показові діагностичні блоки індикаційних параметрів С. bursa-pastoris для певних локальних місцезростань та оцінюють їх антропогенну трансформацію за 13-ти бальною індикаційною шкалою. UA 87144 U (12) UA 87144 U UA 87144 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Корисна модель належить до фітоіндикації, фітоекології, промислової ботаніки та може бути використана для діагностики стану навколишнього середовища, оцінки рівня антропогенної трансформації екотопів, визначення стану рослин в умовах техногенних екотопів за використанням індикаторних показників. Capsella bursa-pastoris (L.) Medic характеризується широкою екологічною пластичністю, стійкий індикатор у відношенні до багатьох антропогенних факторів техногенного середовища; вид занесений до списку адвентивних рослин України з високою інвазійною активністю [1,2]. Крім цього проведені нами дослідження індикаційних ознак даного виду на контрольній ділянці (в 2010-12 pp.) дають можливість використовувати її як індикатор забруднення оточуючого середовища. Актуальність роботи визначається необхідністю проведеним екологічного моніторингу з використанням індикаційних ознак С. bursa-pastoris в умовах Донецької області. Протягом багатьох років в умовах Донбасу досліджується питання впливу комплексу антропогенних факторів на рослинний покрив регіону та його зміни під цим впливом [1]. На фітотоксичних субстратах виявлені тератологічні зміни у деяких видів, які можуть мати індикаційне і діагностичне значення та є яскравими та надійними індикаторами екологічного неблагополучия конкретних локальних техногенних територій. В умовах Донбасу досліджуються біометричні характеристики, внутрішньовидова морфологічна мінливість, пластичність деяких видів рослин в різних екологічних умовах [1, 2]. Відомий спосіб індикації локального техногенного забруднення середовища за модулями морфологічної мінливості, який засіюваний на вивченні мінливості морфологічних ознак фітоіндикатора [3]. Існує спосіб локальної біоіндикації стану атмосфери навколишнього природного середовища, що включає аналіз стану атмосферного повітря в локальних екотопах за допомогою лишайників [4]. Також відомий спосіб використання габітуальних ознак синантропних видів рослин як біомаркерів стану техногенного середовища, який включає реєстрацію габітуальних форм синантропних видів рослин на тій чи іншій території, вимірювання таких параметрів габітуальних ознак: висота рослин, кількість та направленість росту пагонів, розміри, форма, кількість та щільність (кількість на 10 см стебла) листків на пагоні, наявність аномальних утворень. Основною задачею є визначення ступеня порушення рослинного покриву техногенної екосистеми [5]. Найбільш близьким за досягненням результату є спосіб оцінювання стану техногенно трансформованого середовища з використанням морфологічних маркерів синантропних видів рослин. Модель включає вибір широко розповсюджених видів-фітоіндикаторів, збір рослинного матеріалу для вивчення, вимірювання морфологічних індикаційних ознак досліджуваного об'єкта, порівняльний статистичний аналіз отриманих даних, розрахунок показника та визначення на його основі ступеня забруднення навколишнього природного середовища. Основною задачею є визначення мінливості вивчених індикаторних параметрів досліджуваних рослин та оцінювання ступеня техногенної трансформації середовища [6]. Недоліками цього способу є незручність статистичної обробки отриманих результатів у польових умовах, а також те, що фітоіндикатор, хоча й має широкий екологічний діапазон варіювання, може не зростати па певних екотопах, що робить неможливим використання даної моделі. В основу корисної моделі поставлена задача розробки способу оцінювання локальних екотопів на основі вивчення мінливості та пластичності індикаторних ознак виду С. bursapastoris з метою фітоіндикаційної оцінки, яку здійснюють з використанням комплексних індикаційно-діагностичних блоків лише для одного виду-фітоіндикатора. Поставлена задача вирішується за рахунок того, що в способі оцінювання антропогенної трансформації екотопів з використанням індикаторних ознак С. bursa-pastoris, який включає збір рослинного матеріалу, вимірювання морфологічних індикаційних ознак досліджуваного об'єкта, первинну статистичну обробку отриманих даних та оцінювання стану досліджуваних локальних екотопів за допомогою індикаційно-діагностичних блоків, відповідно до корисної моделі, використовують один вид рослини-індикатора С. bursa-pastoris, вимірюють широкий спектр його індикаційних морфологічних параметрів, а саме: фоліологічні (показники листків), карпологічні (показники плодів та насіння) та загальні морфологічні (розмірні характеристики рослини), виділяють найбільш показові блоки індикаційних параметрів С. bursa-pastoris для певних локальних місцезростань та оцінюють антропогенну трансформацію екотопів за 13-ти бальною шкалою. 1 UA 87144 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 На фіг. 1 зображено нормовані відхилення показників морфологічних ознак С. bursa-pastoris на території коксохімічного заводу; на фіг. 2 - частота зустрічальності різних типів розеткових листків С. bursa-pastoris у моніторингових точках; на фіг. 3 представлено загальний вигляд С bursa-pastoris; на фіг. 4 - насіння та елемент плоду рослини. Приклад конкретного виконання. Вказаний спосіб оцінювання антропогенної трансформації екотопів був проведений на рослині Capsella bursa-pastoris (L.) Medic, з використанням індикаторних показників. Рослини були зібрані на наступних моніторингових точках: 1. залізнична колія в напрямку Донецького металургійного заводу, м. Донецьк; 2. парк ім. А.С. Щербакова, другий міський ставок, м. Донецьк; 3. Авдіївський коксохімічний завод, близько 300 м від точки викидів, м. Авдіївка; 4. Авдіївський коксохімічний завод, на узбіччі автодороги, м. Авдіївка; 5. м/р Широкий, селітебна зона, біля автомобільної траси, м. Донецьк; 6. Ленінський проспект, біля автомобільної траси, м. Донецьк; 7. завод хімічних реактивів, ставок в санітарно-захисній зоні, м. Донецьк; 8. на узбіччі доріг, село Степанівка, Олександрівський район, Донецька область, умовний контроль; 9. біля агроекосистем, порушених ділянок, село Степанівка, Олександрівський район, Донецька область; 10. біля промислових відвалів, шахта Святопокровська, Олександрівський район, Донецька область. Рослини в кількості 30 особин збирали в період квітень-травень 2012 року. При вимірюванні основних індикаторних ознак використовували лінійку, циркуль, транспортир та калібрувальний папір. Нами були вивчені наступні ознаки: А - кількість розеткових листків; В - вид розеткових листків (heteris, rhomboidea, tenuis, simplex); С - діаметр прикореневої розетки (cм); D поліморфізм рослин; Ε - кількість плодів на 10 см осі рослини; F - кут відхилення плодоніжки (°); G довжина плодоніжки (мм); Η - максимальна довжина плодоніжки (мм); І варіабельність форми плоду; J - тератологічність форми плоду; R -- висота рослини (см); S - довжина суцвіття (см); Τ довжина квітучої частини суцвіття (см). Повторність експерименту - 30 особин. Для кожної вибірки розраховували показники: середнє, помилка середнього, максимальне та мінімальне значення, середньоквадратичне відхилення, дисперсія, коефіцієнт варіації, нормоване відхилення та коефіцієнт дивергенції [7, 8]. Результати були оброблені первинними статистичними методами для наступних показників: кількість розеткових листів, діаметр прикореневої розетки, кількість плодів на 10 см осі рослини; кут відхилення плодоніжки; довжина плодоніжки; загальна висота рослини; загальна довжина суцвіття; довжина квітучої частини суцвіття. Обчислення результатів були виконані за допомогою пакетів програм Excel 2007, SPSS Statistics 17.0. Рівень вірогідності для біометричних досліджень відповідав 95 % або 0,95 (надійний інтервал - 5 %). В таблиці 1 представлені показники середнього арифметичного значення морфологічних показників С. bursa-pastoris на досліджуваних екотопах Донецької області. Розмах варіації показників (R) визначається різницею між максимальним (max) та мінімальним (min) значеннями для кожної вибірки: R=max-min Значення розмаху варіації індикаторних ознак С bursa-pastoris на досліджуваних екотопах представлені на таблиці 2. На експериментах з фітоіндикаторами було виявлено, що в несприятливих умовах збільшується розмах варіювання індикаційних ознак досліджуваних рослин [7, 8]. 50 Таблиця 1 Показники середнього арифметичного значення морфологічних параметрів С. bursa-pastoris Екотоп №1 №2 №3 Ознаки* А С E F G R S Τ 13,2±0,53 16,25±99 11,97±0,60 68±2,86 1,95±0,06 35,26±1,29 14,31±0,91 1,14±0,03 14,46±0,75 15,41±0,63 16,2±0,62 66±2,12 1,77±0,06 31,67±0,95 16,1±0,77 0,88±0,04 11,23±0,44 19,37±0,77 14,83±0,55 62±2,35 2,29±0,05 33,73±0,67 14,12±0,41 0,73±0,03 2 UA 87144 U Продовження таблиці 1 №4 №5 №6 №7 №8 №9 № 10 12,03±0,28 16,64±0,74 16,7±0,53 16,43±0,49 13,41±0,18 26,43±0,65 17,53±0,43 15,55±0,26 29,36±0,51 1З, 34±0,41 16,4±0,29 15,2±0,49 15,34±0,34 14,29±0,31 22,56±0,38 14,56±0,43 14,94±0,28 22,1±0,41 13,83±0,52 18,38±0,32 14,06±0,58 67±1,63 66±0,80 66±1,18 65±1,18 64±0,78 65±0,93 62±1,15 1,73±0,03 1,71±0,01 1,72±0,01 1,76±0,03 1,83±0,02 1,66±0,02 1,86±0,02 39,05±1,04 37,62±0,5б 40,24±0,39 38,97±0,46 31,46±0,43 29,09±0,32 29,45±0,35 16,53±0,55 18,96±0,52 18,63±0,23 18,44±0,33 15,46±0,30 16,65±0,17 16,63±0,15 0,61±0,02 0,63±0,01 0,69±0,03 0,67±0,02 0,68±0,01 0,64±0,02 0,9±0,001 Тут і в табл. 2, 3: А - кількість розеткових листків; С - діаметр прикореневої розетки (см); Е кількість плодів на 10 см осі рослини; F - кут відхилення плодоніжки (°); G - довжина плодоніжки (mm); R - висота рослини (см); S - довжина суцвіття (см); Τ - довжина квітучої частини суцвіття (см): екотопи № 1-10 - наведено вище. Таблиця 2 Показники розмаху варіації індикаційних ознак Caspella bursa-pastoris на території Донецької області Екотоп №1 №2 №3 №4 №5 №6 №7 №8 №9 № 10 5 А 12,00 16,00 11,00 5,00 8,00 11,00 8,00 6,00 8,00 8,00 С 20,50 12,00 15,70 18,00 3,60 4,70 5,10 6,20 5,50 6,40 Ε 15,00 13,00 11,00 12,00 12,00 10,00 9,00 8,00 9,00 9,00 Ознаки* F G 60,00 1,40 45,00 1,35 48,00 1,20 32,00 0,60 16,00 0,30 21,00 0,20 23,00 0,60 17,00 0,50 17,00 0,40 23,00 0,40 R 25,00 19,80 14,90 18,70 12,30 8,00 9,00 8,4 6,60 6,90 S 21,40 20,45 8,00 11,80 11,10 4,60 5,40 6.00 3,30 2,50 Τ 0,60 1,15 0,60 0,04 0,20 1,1 0,40 0,20 0,30 0,50 Для кожної вибірки було визначене нормоване відхилення індикаторних ознак рослини для оцінки ступеня їх розбіжності (табл. 3). Нормоване відхилення (δ) характеризується відношенням різниці досліджуваної вибірки (Мi) та вибірки умовного контролю (Mst) до середньоквадратичного відхилення ознак контрольної вибірки (М st). Найбільші показники нормованого відхилення характерні для території Авдіївського коксохімічного заводу (№ 3) для трьох індикаторних ознак (А, С, G) представлені на фіг. 1. Таблиця 3 Нормовані відхилення індикаційних ознак Caspella bursa-pastoris Екотоп №1 №2 №3 №4 №5 №6 №7 №8 №9 № 10 Середнє А 1,17 0,48 2,25 1,81 -0,60 -1,20 1,09 С -1,19 -0,68 -3,08 -1,42 0,53 -0,76 -1,28 Ε 5,24 3,15 3,83 2,90 -1,92 -3,37 3,64 0,43 0,83 0,63 -0,39 -2,48 -1,08 0,23 4,21 1,79 Ознаки F G -0,96 -1,09 -0,48 0,55 0,48 -4,18 -0,72 0,91 -0,48 1,09 -0,48 1,00 -0,24 0,64 Контроль -0,24 1,55 0,48 -0,27 -0,26 0,02 10 3 R -0,35 -0,09 -0,99 -3,31 -2,69 -3,83 -3,28 S 0,72 -0,40 0,84 -0,67 -2,19 -1,98 -1,86 Τ -7,67 -3,33 -0,83 1,17 0,83 -0,17 0,17 1,03 0,88 -1,26 -0,74 -0,73 -0,70 0,67 -3,67 -1,28 UA 87144 U Для оцінки ступеня розбіжності індикаторних ознак використовували коефіцієнт дивергенції (КД):  2 n  1 , де  - нормоване відхилення досліджуваної вибірки; n - загальна кількість ознак [2]. Результати визначення КД представлені на таблиці 4: КД  5 Таблиця 4 Коефіцієнт дивергенції ознак для екотопів на території Донецької області Екотопи Залізнична колія в напрямку Донецького металургійного заводу, м. Донецьк Парк ім. Л.С. Щербакова, другий міський ставок, м. Донецьк Авдіївський коксохімічний завод, близько 300 м від точки викидів, м. Авдіївка Аидіївський коксохімічний завод, на узбіччі автодороги, м. Авдіївка М/р Широкий, селитебна зона, біля автомобільної траси, м. Донецьк Ленінський проспект, біля автомобільної траси, м. Донецьк Завод хімічних реактивів, ставок в санітарно-захисній зоні, м. Донецьк На узбіччі доріг, село Степанівка, Олександрівський район, Донецька область, умовний контроль Біля агроекосистем, порушених ділянок, село Степанівка, Олександрівський район, Донецька область Біля промислових відвалів, шахта Святопокровська. Олександрівський район, Донецька область. 10 15 20 25 30 35 КД ознак 3,62 1,79 2,65 1,99 1,62 2,18 2,10 0 0,84 2,38 Важливу роль відіграє також співвідношення розеткових типів листків, характерних для кожного екотопу (Фіг. 2) [9]. Встановлено, що на території ділянки № 8 (умовний контроль) характерно домінування розеткових листків типів heteris (Ή) и tenius (T). Причому тип heteris є найбільш багаточисленним на даній території у порівнянні з іншими типами розеткових листків. Такі зміни в типах розеткових листків характерні в результаті взаємодії генотипу індикатора і факторів середовища. В тому числі завдяки цій ознаці вид має широкий діапазон середовища існування. Як показали наші попередні дослідження, в екотопах транспортних шляхів та інших територій з підвищеною антропогенною загрузкою мінливість типів розеткових листків вища ніж на умовно чистих ділянках, що може бути пов'язано як з неоднорідністю мікроумов зростання, так і з постійним заносом насіннєвого матеріалу. Тобто, зустрічальність усіх 4 типів розеткових листків С. bursa-pastoris вказує на наявність антропогенного впливу. Так, бачимо, що навіть у контрольній ділянці (№ 8, на узбіччі доріг у с. Степанівка) є усі типи розеток, що може бути обумовлено викидами автотранспорту, рекреаційним навантаженням, специфічними властивостями субстрату, або ж аптропохорним потраплянням діаспор. Таким чином, наявність, частота зустрічальності та прояв поліморфізму розеткових листків виду в екотопах можуть бути індикаторами їхньої антропогенної трансформації. В результаті морфоструктурного аналізу особин також були визначені деякі тератоморфи, характерні для цього виду [10, 11]. Нами було зафіксовано випадки гігантизму С bursa-pastoris на моніторингових точках Авдіївського коксохімічного заводу та заводу хімічних реактивів в м. Донецьк. Це вказує на прояв морфо-фізіологічних реакцій у відповідності зі специфічністю хімізму едафотопу. Вивчення тератологічності форми плодів С bursa-pastoris - важливий кількісний індикаційний показник, який відображає рівень антропогенної загрузки на рослини (по мірі віддаленості від промислових підприємств) [10, 11]. В нормальних умовах для Capsella bursa-pastoris, як представника родини Brassicaceae, характерний двохгранний стручечок (фіг. 4) [12]. Але для деяких форм плодів на досліджуваних територіях (Авдіївський коксохімічний завод, близько 300 м від точки викидів, м. Авдіївка; Авдіївський коксохімічний завод, на узбіччі автодороги, їм. Авдіївка) були характерні трьохгранні плоди (до 15-17 % від загальної кількості особин у вибірці), замість типових двогранних. 4 UA 87144 U 5 10 15 На основі результатів досліджень нами була створена фітоіндикаційна 13-ти бальна шкала (табл. 5). Вона складається із 3-х блоків - фоліологічного (показники листків), карпологічного (показники плодів та насіння) та загального морфологічного (розмірні характеристики рослини). Кожна індикаційна ознака має відповідні бали: 1- слабкий рівень антропогенної трансформації; 1,5 - середній рівень антропогенної трансформації; 2 - сильній рівень антропогенної трансформації. Важливу роль відіграє сумарний показник за один блок. Індикаційна шкала представлена загальною сумою в мінімальних значеннях. Тобто якщо досліджуваний екотоп в сумі отримає більше 13 балів, це свідчить про більш виражену антропогенну трансформацію території. В таблиці 5 представлені наступні індикаційні досліджувані параметри С. bursa-pastoris: A кількість розеткових листків; В - вид розеткових листків (heteris, rhomboidea, tenuis, simplex); С діаметр прикореневої розетки (см); D - поліморфізм рослин; Ε - кількість плодів на 10 см осі рослини; F - кут відхилення плодоніжки (°); G - довжина плодоніжки (мм); II - максимальна довжина плодоніжки (мм); І - варіабельність форми плоду;.1 - тератологічність форми плоду; R висота рослини (см); S - довжина суцвіття (см); Τ - довжина квітучої частини суцвіття (см). Таблиця 5 Індикаційнодіагностичний блок Індикаторні ознаки* А В Фоліологічний С D Ε F G Карпологічний H I J Характеристика ознаки Бал Показники значень (з урахуванням ознак контролю) від 1 до 2 >12 2 12-20 1 12 2 12-20 1 17 2 17-30 1 55 2 55-72 1 1,5 2 1,5-2 1 2 2 ~2 1