ФРАКТАЛЬНЫЙ АНАЛИЗ В БИОИНДИКАЦИИ КАЧЕСТВА ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ ПО БЕРЕЗЕ ПОВИСЛОЙ (BETULA PENDULA ROTH.)
ФРАКТАЛЬНЫЙ АНАЛИЗ В БИОИНДИКАЦИИ КАЧЕСТВА ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ ПО БЕРЕЗЕ ПОВИСЛОЙ (BETULA PENDULA ROTH.)
Аннотация
В данной работе рассмотрены особенности оценки состояния окружающей среды по биоиндикации на основе различий между левой и правой половинами листа берёзы повислой (Betula pendula Roth.), коррелирующей со степенью антропогенного воздействия на территорию. Предложена реализация методики биоиндикации экологического состояния местности по сравнению фрактальных размерностей проекций половин листа с помощью программы FrakOur. Исследовано влияние уровня антропогенной нагрузки на состояние берёзы повислой (Betula pendula Roth.) предлагаемым фрактальным методом и классическим инструментальным (на примере территории Республики Башкортостан). Сопоставлена пространственно-временная динамика асимметрии данных методов и оценена точность их результатов.
1. Введение
На сегодняшней день анализ качества окружающей среды становится неотъемлемой частью планирования и разработки мероприятий социально-экологического развития территорий. Требуется оперативная оценка экологической обстановки, сопряженная с таким рядом препятствий как сложность экологических систем, малая осведомленность об их взаимодействиях и о зависимостях между их компонентами, необходимость учета изменчивых внешних факторов среды [1], [2], [3].
Зачастую физико-химические методы не дают комплексного представления о воздействии на биологическую систему, а сложность и дороговизна инструментальных методов исследования приводит к затруднениям в экспресс-оценках для широкого круга исследователей на больших территориях и к сложностям в охвате достаточного количества материалов. Методы статистической и математической обработки данных и применение географических информационных систем отражают лишь общую тенденцию привязки экологических данных к пространственным объектам и не всегда могут рассматриваться для более детального анализа.
Наиболее простым, перспективным и позволяющим масштабироваться на разные территории при оценке качества окружающей среды, является анализ состояния и развития биоты исследуемой территории (биоиндикация) по значениям асимметрии фитоморфологических показателей растений [1], [2], [3].
Известны методы, активно использующие в качестве биоиндикатора лишайники, хвою деревьев, водоросли, активный ил. Однако исследования проводить тем легче, чем крупнее, проще и более распространен организм. Например, высшие древесные растения, неотъемлемая часть природообустройства урбанизированных территорий. Привязанные к локальной территории в условиях неблагоприятной окружающей среды они наиболее полно отражают комплекс стрессовых воздействий на экосистему, изменяя свойства своих фитоморфологических структур: недоразвитость или асимметрию листовых пластин [4]. Поэтому значительный ряд работ авторов посвящен научно-обоснованному применению березы повислой (Betula pendula Roth.) в качестве биоиндикатора состояния окружающей среды [5], [6].
В работе [7] установлено, что проявление ненаправленной асимметрии листьев древесных растений может зависеть не только от атмосферного переноса загрязняющих веществ, но и от их миграции с поверхностным стоком. Кроме того, исследователи [8] отмечают, что оценка экологического состояния биоценозов должна проводиться по разным индикаторам, критериям и параметрам в комплексе.
Фрактальная геометрия позволяет анализировать сложные геометрические структуры геоэкологических объектов, которые остаются за пределами возможности анализа евклидовой геометрией [9]. А фрактальная размерность способна описывать сложную геометрическую структуру листовой пластинки древесных растений, характеристики которой меняются пропорционально концентрации поллютантов в окружающей среде. Поэтому значение величины фрактальной размерности листовой пластинки древесных растений можно использовать как показатель в биоиндикации окружающей среды, что отмечается и другими исследованиями [6], [10].
Целью работы является исследование влияния уровня антропогенной нагрузки на березы повислой (Betula pendula Roth.) методом биоиндикации с помощью фрактального анализа.
Для достижения цели ставятся следующие задачи:
− сбор материала с разных территорий города Уфа;
− оценка состояния березы повислой (Betula pendula Roth.) с помощью фрактального анализа;
− проведение оценки инструментальным методом;
− сопоставление результатов.
В качестве объекта исследования выступает берёза повислая (Веtula pendula Roth.), в качестве предмета – состояние атмосферного воздуха на территории города Уфа.
2. Методы и принципы исследования
Авторами разработан способ оценки загрязнения воздуха [11] по сравнению усредненных величин модулей разницы фрактальной размерности правой и левой части листьев берёзы повислой (Веtula pendula Roth.).
Для апробации разработанного авторами метода сравнения усредненных величин модулей разницы фрактальной размерности половин листьев проводилась выборка проб по 10 штук с одного дерева в исследуемых точках отбора проб (таблица 1). Листья отбирались с нижней части кроны на уровне поднятой руки.
После осуществлялось сканирование отобранных поверхностей листовых пластинок, на основании которых в компьютерной программе FrakOur производился выбор исследуемого фрагмента и определялась фрактальная размерность половин листа методом box-couting. Для этого задавалось максимально возможное количество делений и вручную выделялись ячейки, совпадающие с исследуемой половиной листа (рисунок 1).
Рисунок 1 - Определение фрактальной размерности правой части одного из отобранных листов березы повислой (Betula pendula Roth.)
Искомая фрактальная размерность находилась как модуль коэффициента, полученного из линии тренда на построенном из значений графике в программе Excel.
Для определения достоверности предлагаемого фрактального метода и сопоставления с классическими известными методами биооценки определялась также и флуктуирующая асимметрия отобранных листьев березы повислой (Веtula pendula Roth.) известным инструментальным методом [2] по интегральному показателю – величине среднего относительного различия на признак.
Для той же отобранной пробы измерения проводятся с помощью линейки и транспортира. С каждого листа отобранных в исследуемых точках листьев были сняты показатели по 5-ти параметрам с левой и правой стороны: ширина половинки листа, длина второй жилки второго порядка от основания листа, расстояние между основаниями первой и второй жилок второго порядка, расстояние между концами этих жилок, угол между главной жилкой и второй от основания жилки второго порядка. Дальнейшие вычисления проводились по указанному инструментальному методу.
3. Результаты и их обсуждение
Для каждой точки отбора листьев березы повислой (Веtula pendula Roth.) значение модуля разницы фрактальных размерностей половинок листа и значения интегрального показателя по инструментальному методу были усреднены и занесены в таблицу 1.
Таблица 1 - Результаты определения фрактальной размерности и среднего относительного различия половинок листовой пластинки березы повислой (Веtula pendula Roth.) в исследуемых областях Республики Башкортостан
Точка отбора 10-ти проб | Модуль разницы фрактальных размерностей правой и левой половинок листа (Критерий предложенного метода оценки) | Среднее относительное различие Z (Критерий инструментального метода оценки) |
1. Площадь им. Салавата Юлаева, г.Уфа | 0,57 | 0,042 |
2. Санаторий «Зеленая Роща», г.Уфа | 0,17 | 0,052 |
3. Парк им. М.И. Калинина, г.Уфа | 0,45 | 0,053 |
4. Парк им. И. Якутова, г.Уфа | 0,46 | 0,064 |
5. Парк Победы, г.Уфа | 0,51 | 0,072 |
6. Сквер им. 50-летия Победы, г.Уфа | 0,54 | 0,069 |
7. АО «УППО», г.Уфа | 0,71 | 0,083 |
8. Уфимская ТЭЦ-2, г.Уфа | 0,210 | 0,090 |
9. ПАО «УМПО», г.Уфа | 0,64 | 0,092 |
10. д. Шарипово | 0,022 | 0,001 |
11. Национальный парк «Башкирия», Мелеузовский район | 0,021 | 0,042 |
12. База отдыха «Красный ключ», Нуримановский район | 0,069 | 0,072 |
13. г. Сибай (в районе детского сада «Белочка») | 0,058 | 0,061 |
14. Центр г. Нефтекамск | 0,034 | 0,050 |
Многолетними исследованиями авторов в области оценки состояния окружающей среды по флуктуирующей асимметрии березы повислой (Веtula pendula Roth.) установлена шкала стабильности развития по среднему относительному различию на признак, представленная в 1, 2 и 4 столбцах таблицы 2.
Аналогичная шкала оценивания (без выделения определенного загрязнителя) разработана и для фрактального метода биоиндикации по листовой пластинке березы повислой (Веtula pendula Roth.), где в качестве критерия выступает диапазон величин модулей разницы фрактальных размерностей половинок листа (столбец 3 таблицы 2).
Таблица 2 - Шкала стабильности развития березы повислой (Betula pendula Roth.) по классическому инструментальному и фрактальному методам оценки
Балл | Значения показателя асимметричности | Модуль разницы фрактальных размерностей половинок листа | Оценка уровня стабильности развития |
1 балл | <0,04 | 0,01-0,055 | Условная норма |
2 балла | 0,04-0,044 | 0,055-0,075 | Слабое отклонение от стабильного развития |
3 балла | 0,045-0,049 | 0,075-0,25 | Нарушение стабильного развития |
4 балла | 0,50-0,054 | 0,25-0,5 | Отклонение от стабильного развития |
5 баллов | >0,054 | >0,5 | Высокое отклонение от стабильного развития |
Апробация оценки состояния окружающей среды и фрактального, и инструментального метода показала, что отобранный материал на выбранных фоновых территориях (д. Шарипово и национальный парк «Башкирия») соответствует нормальному состоянию уровня стабильности развития и означает отсутствие загрязнений. Это говорит о том, что влияние погодных условий в ходе анализа исключается,
На территории промышленной зоны (точки отбора 7-9) наблюдается угнетение роста березы повислой (Веtula pendula Roth.) за счет загрязнения окружающей среды, что отражено и в докладах о состоянии окружающей среды. Остальные точки отбора также подвергнуты загрязнению.
На рисунке 2 приведен график среднего значения показателя асимметричности по инструментальному и фрактальному методам биоиндикации в исследуемых точках отбора проб.
Рисунок 2 - Графическое сравнение классического и фрактального методов биоиндикации по березе повислой (Веtula pendula Roth.)
Из рисунка видно, что разница между двумя методиками составляет около 5%. При классическом инструментальном методе оценки флуктуирующая асимметрия может выявиться по одному признаку, а по второму отсутствовать на некоторых листах. Тогда фрактальная оценка выступает как более точный метод, решая данную проблему.
4. Заключение
Таким образом, сопоставление результатов инструментального метода и предлагаемого фрактального метода анализа асимметричности листовой пластинки для биоиндикации по березе повислой (Betula pendula Roth.) показало, что методы сопоставимы на 5%-ом уровне. Выявлено, что показатель модуля разницы фрактальной размерности половины листовой пластинки может служить сверткой информации об асимметричности листа дерева, учитывая не измеряемые инструментальными методами геометрические характеристики листовой пластинки.