ИНДЕКС ЛИХЕНОИНДИКАЦИИ Российский патент 2015 года по МПК G01N33/46 G01N33/00 A01G15/00 

Изобретение относится к области биомониторинга и биоиндикации качества состояния окружающей среды в малых, средних и крупных городских поселениях.

За прототип принята методика вычисления «Индекса полеофобии лишайников», впервые предложенная Х.Х. Трассом (1968, 1985) [1, 2]. Индекс представляет собой некое число, результирующее посредством математической формулы формализованные параметры лишайников для конкретного местообитания.

Известный способ лихеноиндикации состояния воздуха содержит:

- проведение геоботанических описаний эпифитных лишайниковых сообществ на деревьях одного вида и одного возраста;

- использование коэффициентов полеотолерантности, определяемых экспертными оценками для определенного региона;

- моделирование процесса взаимодействия лишайников с загрязнителями сред обитания;

- определение степени загрязнения атмосферы с помощью шкалы полеотолерантности.

Применение прототипа требует проведения ретестовых (повторных испытаний).

Недостатки известного «Индекса полеофобии лишайников»:

- индекс полеофобии лишайников содержит переменные, определяемые субъективно - коэффициент толерантности (а_i), проективное покрытие лишайникового сообщества (C_n);

- необходим тщательный учет и определение видового состава лихенобиоты на изученной территории;

- обязательно установление методом экспертных оценок коэффициентов полеотолерантности для видов описываемых лишайниковых сообществ, носящих региональный характер;

- необходимо знание экологических особенностей видов лихенобиоты, описываемых при исследовании лишайниковых сообществ;

- в этой методике не выявляется химическая природа экотоксикантов;

т.о. известный объект не может быть применен ввиду того, что данный способ лихеноиндикации является полуколичественным, разработан для региональных условий и требует постоянного участия экспертных оценок.

Задача изобретения - повышение точности, надежности, значимости количественных характеристик лихеноиндикационных исследований и сокращение трудозатрат при их проведении в городских поселениях путем вычисления количественного лишайникового индекса (L).

Предложен лишайниковый индекс (L), позволяющий посредством разовых замеров, проведенных во всем диапазоне действия комплексных факторов загрязнения сред обитания и отклика на них биоиндикаторов-лишайников, включающий визуальную констатацию наличия листоватых лишайников на стволах деревьев в городских поселениях, измерение размеров их слоевищ и расчет лишайникового индекса (L), выражающегося отношением суммарной площади визуально доступных слоевищ к площади поверхности ствола дерева, по формуле:

где L - лишайниковый индекс, d₁ - минимальный размер диаметра слоевища лишайников (лишайниковой куртины (см)), d₂ - максимальный размер диаметра слоевища лишайников (лишайниковой куртины (см)), D - обхват дерева (см), Н - расстояние от земли, выше которого нет двух талломов, расположенных друг от друга ближе чем на 10 d₂, N - число талломов модельных видов лишайников на дереве, при этом наименьшее абсолютное значение лишайникового индекса свидетельствуют о наибольшем загрязнении, а наибольшее - о низком.

Лишайниковый индекс отличается от известного прототипа тем, что при его вычислении устраняются субъективные факторы при лихеноиндикационных работах (исследованиях) - констатация наличия/отсутствия лишайников, оценки их обилия (обильно - единично), наблюдается упрощение метода, уменьшение трудоемких определений видового состава эпифитной лихенофлоры, повышается его точность; индекс лихеноиндикации не содержит переменных, определяемых субъективно; возможно применение без метода экспертных оценок.

Предлагаемый индекс лихеноиндикации позволяет проводить диагностические биомониторинговые исследования на территориях, где рекогносцировочные обследования не выявили явного воздействия загрязнителей на распределение эпифитных лишайников, т.е. в различных по числу населения и развития источников воздействия на среду городских поселениях и вычислить лишайниковый индекс по формуле:

где L - лишайниковый индекс, d₁ - минимальный размер диаметра слоевища лишайников (лишайниковой куртины (cм)), d₂ - максимальный размер диаметра слоевища лишайников (лишайниковой куртины (см)), D - обхват дерева (см), Н - расстояние от земли, выше которого нет двух талломов, расположенных друг от друга ближе чем на 10 d₂, N - число талломов модельных видов лишайников на дереве, при этом наименьшее абсолютное значение лишайникового индекса свидетельствуют о наибольшем загрязнении, а наибольшее - о низком.

Ограничения лишайникового индекса: для применения лишайникового индекса и достижения его объективности необходимо исследование эвритопных (модельных) видов эпифитных лишайников с радиальным приростом слоевища, выбор деревьев одного вида и примерно одного возраста, достаточная представительность выборки.

Предложенный лишайниковый индекс вычисляется следующим образом.

Лихеноиндикация - это установление общего состояния сред обитания с использованием биоиндикаторов - лишайников. Все работы в области лихеноиндикации подразделяются на качественные и полуколичественные с вычислением ряда лихеноиндикационных индексов.

Вопрос о применении лишайников для диагностики общего состояния сред обитания распадается на ряд направлений: инструментальные камеральные биохимические исследования отдельных видов, визуальное обследование морфолого-анатомических изменений лихеноиндикаторов, изучение видового разнообразия лихенобиоты, применение эмпирических данных для вычисления лихеноиндикационных индексов, позволяющих проводить деление территории по степени загрязнения.

Наиболее информативны количественные лихеноиндикационные исследования состояния сред обитания, основанные на инструментально фиксируемых характеристиках биологических систем с последующей математической обработкой для исключения фактора субъективности, особых требований к учету лишайников и их сообществ, выбору биоиндикаторов (т.е. модельных видов).

Для лихеноиндикации используются эпифитные виды-эвритопы, «модельные» объекты листоватой жизненной формы: Xanthoma parietina (L.) Th. Fr., X. polycarpa (Hoffm.) Th. Fr. ex Rieber., Hypogymnia physodes (L.) Nyl., H. tubulosa (Schaer.) Hav., Parmeiiopsis ambigua (Wulfen) Nyl., виды рода Physcia, широко распространенные в условиях малых, средних и крупных городов, образующие четко отграниченные куртины на стволах деревьев. Перечисленные виды лишайников отвечают требованиям к биосистемам-биоиндикаторам: имеют продолжительный жизненный цикл, широко распространены, накапливают токсиканты в слоевищах, отвечают скоростью роста и развития на стрессовые воздействия загрязнителей.

Объективный количественный показатель информативности лишайников как биоиндикаторов отражает их распространение по стволу дерева, выражающееся в общей площади слоевищ и площади древесных стволов, занятых лишайниками, т.е. лишайниковый индекс, рассчитываемый по формуле:

где L - лишайниковый индекс, d₁ - минимальный размер диаметра слоевища лишайников (лишайниковой куртины (см)), d₂ - максимальный размер диаметра слоевища лишайников (лишайниковой куртины (см)), D - обхват дерева (см), Н - расстояние от земли, выше которого нет двух талломов, расположенных друг от друга ближе чем на 10 d₂, N - число талломов модельных видов лишайников на дереве, при этом наименьшее абсолютное значение лишайникового индекса свидетельствуют о наибольшем загрязнении, а наибольшее - о низком.

С помощью лишайникового индекса (L) четко выделяются изотоксичные зоны, проводится корреляция с уровнем концентрации загрязнителей, создается карта изучаемой местности с учетом влияния общего загрязнения на жизненность лихеноиндикатора. Наименьшее абсолютное значение лишайникового индекса свидетельствует о наибольшем загрязнении, наибольшее значение - о низком.

Примеры применения лишайникового индекса

На примере крупного города Брянска, малого города Навля Брянской области [3]. Карты городов разбивались на сеть квадратов произвольного масштаба: г. Брянска - на 152, г. Навли - на 35 квадратов. Квадраты принимались за учетные (пробные площадки). В каждом их квадратов произвольно обследовались зеленые насаждения различного целевого назначения. Исследование эпифитной лихенофлоры проводилось для четырех видов деревьев, наиболее распространенных в посадках: Betula pendula Roth (березы повислой) с обхватом ствола 60-70 см, Tilia cordata Mill, (липы сердцелистной) - 75-85 см, Acer platanoides L. (клена остролистного) - 80-90 см, Populus nigra L. (тополя черного) - 85-95 см. В каждом из квадратов обследовалось не менее 7 деревьев каждого вида, всего в г. Брянске - 5000 деревьев, в г. Навля - 1100 деревьев. Для каждого вида дерева вычислялся лишайниковый индекс (L), рассчитывалось среднее значение индекса (М) в каждом из квадратов, устанавливались отклонения от среднего значения (m) с использованием общепринятых методов статистики [4].

Параллельно проводимым исследованиям устанавливались некоторые общеиспользуемые вспомогательные характеристики в лихеноиндикации: число деревьев (по видам) с развитым эпифитным лишайниковым покровом.

В таблице 1 показаны полученные значения лишайникового индекса для крупного и малого города с учетом видового состава деревьев и двух модельных видов листоватых лишайников - Xanthoria parietina, Parmelia sulcata. Их морфологические отличия ясно выражены: у ксантории постенной желто-оранжевое слоевище, у пармелии козлиной - серовато-голубоватое.

Результаты статистической обработки данных показывают, что по значению лишайникового индекса (L) все обследуемые квадраты городских территорий - крупного и малого города - можно объединить в достоверно различающиеся (t_факт>t_табл) три группы: зону значительного общего загрязнения сред обитания (наименьшее значения L), среднего и слабого загрязнения (наибольшие значения L). В зону наименьшего загрязнения по значениям лишайникового индекса попали квадраты, расположенные на окраинах городов, а также в крупных городских парках и скверах. В зону наибольшего загрязнения объединены квадраты по лишайниковому индексу, вычисленному для квадратов около крупных автодорог, некоторых промышленных предприятий, около авто- и железнодорожных вокзалов.

Установлено, что значения лишайникового индекса находятся в прямопропорциональной зависимости от расстояния до дороги и могут быть описаны уравнением:

L+(-3,09+0,376S)10^-3.

Качественные признаки - проективное покрытие ствола дерева (форофита) лишайниками в исследуемых квадратах зоны наибольшего и среднего загрязнения различаются недостоверно (t_факт<t_табл).

Во всех случаях используемый способ биомониторинга воздуха городской среды с использованием лихеноиндикационного индекса позволяет уменьшить субъективность подхода к биоиндикации, применить количественные критерии, оценить уровни антропогенного воздействия на городские поселения разных групп, проводить картирование территории городских поселений на основе количественного индекса, сравнить данные многолетних наблюдений при биомониторинге.

Таким образом, предлагаемый лишайниковый индекс позволяет адекватно оценивать состояние сред обитания в городских поселениях (при воздействии определенного негативного фактора или комплекса факторов) при биоиндикационных исследованиях, уменьшить субъективность биоиндикации, повысить точность и прогностическую ценность полученных данных для учета конкретного антропогенного воздействия, что сократит расходы и увеличит точность работ в биомониторинге при зонировании территорий городских поселений, уменьшить трудоемкость операций при натурных исследованиях, не содержит переменных, определяемых субъективно; возможно применение без метода экспертных оценок.

Литература

1. Трасс Х.Х. Анализ лихенофлоры Эстонии / Х.Х. Трасс: Автореф.дисс....докт.биол.наук. - Л.: БИН АН СССР, 1968. - 80 с.

2. Трасс Х.Х. Классы полеотолерантности лишайников и экологический мониторинг / Х.Х. Трасс. Проблемы экологического мониторинга и моделирования экосистем. - Л., 1985. Т. 7. - С. 122-137.

3. Дьяконов К.Н. Экологическое проектирование и экспертиза / К.Н. Дьяконов, А.В. Дончева. - М.: Аспект Пресс, 2005. - 384 с.

4. Шмидт В.М. Математические методы в ботанике / В.М. Шмидт.- Л.: Изд-во ЛГУ, 1984. - 288 с.

Изобретение относится к экологии, а именно биомониторингу и биоиндикации качества состояния окружающей среды (воздуха) в малых, средних и крупных поселениях с использованием количественного индекса лихеноиндикации - лишайникового индекса.

Для этого вычисляют лишайниковый индекс (L), выражающийся отношением суммарной площади визуально доступных слоевищ к площади поверхности ствола дерева по формуле:

,

где L - лишайниковый индекс, d₁ - минимальный размер диаметра слоевища лишайников (лишайниковой куртины (см)), d₂ - максимальный размер диаметра слоевища лишайников (лишайниковой куртины (см)), D - обхват дерева (см), Н - расстояние от земли, выше которого нет двух талломов, расположенных друг от друга ближе чем на 10 d₂, N - число талломов модельных видов лишайников на дереве. При этом наименьшее абсолютное значение лишайникового индекса свидетельствуют о наибольшем загрязнении, а наибольшее - о низком.

Изобретение позволяет упростить метод биомониторинга, уменьшить трудоемкие определения видового состава эпифитной лихенофлоры и, таким образом, устранить субъективные факторы.

1 табл., 1 пр.

Способ биомониторинга общего загрязнения воздуха городской среды, включающий визуальную констатацию наличия листоватых лишайников на стволах деревьев в городских поселениях, измерение размеров их слоевищ и расчет лишайникового индекса (L), выражающегося отношением суммарной площади визуально доступных слоевищ к площади поверхности ствола дерева, по формуле:

где L - лишайниковый индекс, d₁ - минимальный размер диаметра слоевища лишайников (лишайниковой куртины (см)), d₂ - максимальный размер диаметра слоевища лишайников (лишайниковой куртины (см)), D - обхват дерева (см), Н - расстояние от земли, выше которого нет двух талломов, расположенных друг от друга ближе чем на 10 d₂, N - число талломов модельных видов лишайников на дереве, при этом наименьшее абсолютное значение лишайникового индекса свидетельствуют о наибольшем загрязнении, а наибольшее - о низком.