FRACTAL ANALYSIS IN BIOINDICATION OF ENVIRONMENTAL QUALITY IN EUROPEAN WHITE BIRCH (BETULA PENDULA ROTH.)
FRACTAL ANALYSIS IN BIOINDICATION OF ENVIRONMENTAL QUALITY IN EUROPEAN WHITE BIRCH (BETULA PENDULA ROTH.)
Abstract
This work considers the specifics of assessing the state of the environment by bioindication based on the differences between the left and right leaf halves of European white birch (Betula pendula Roth.), correlating with the degree of anthropogenic impact on the area. The implementation of the methodology of bioindication of the ecological condition of the area by comparing the fractal dimensions of the leaf halves projections with the FrakOur program is proposed. The influence of the level of anthropogenic burden on the state of European white birch (Betula pendula Roth.) by the proposed fractal method and the classical instrumental method (on the example of the territory of the Republic of Bashkortostan) was studied. The spatial and temporal dynamics of asymmetry of these methods is compared and the accuracy of their results is evaluated.
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.