Влияние количества растворенного кислорода в воде и глубины озера Чапчор на популяцию рогульника плавающего

Рогульник плавающий (Trapa natans L. ) – интереснейший представитель нашей флоры. По данным И. И. Спрыгина (1986) и воспоминаниям старожилов, вид в недавнем прошлом произрастал в ряде озер Лунинского и сопредельных районов Пензенской области.

Актуальность исследования заключается в том, что ареал T. natans сокращается. Исчезновение его на многих территориях послужило причиной включения вида в Красные книги всех рангов (Красная книга СССР, 1984; Красная книга РСФСР, 1988; Красная книга Пензенской области, 2002 и др. ).

T. natans – популярный объект изучения. Одним из первых ученых пристальное внимание на него обратил древнегреческий ученый, основоположник ботаники Теофраст. Он отметил, что « особенностью этого растения являются его волосообразные отростки от стебля: это не листья и не стебель (Феофраст, 1951). Природа этих гребневидных органов дискутировалась на протяжении 50 лет в середине и второй половине двадцатого века.

В конце XIX – XX вв. среди известных ботаников (Танфильев, 1890; Хитрово, 1905) возникла острая дискуссия о причинах вымирания T. natans в отдельных регионах России. Эта дискуссия продолжается до сих пор. Высказываются предположения о влиянии изменений погодно-климатических условий, обмеления и загрязнения водоемов, неумеренный сбор плодов человеком (Шилов, 1977). И в настоящее время T. natans привлекает внимание многих ученых. Он является своеобразной экологической моделью для изучения многих ботанических проблем. Поэтому обобщение всех накопленных о нем сведений и оценка состояния его популяции в конкретных местообитаниях имеет большое значение для решения проблемы рациональной охраны этого вида.

Объектом данного исследования является озеро Чапчор как среда обитания рогульника плавающего. Озеро Чапчор (Лунинский район) это - единственное местообитание T. natans на территории Пензенской области в настоящее время. Однако и здесь Trapa natans скорее всего имеется в результате реинтроиндукции: осенью 1999 года работники Большевьясского лесхоза привезли сюда плоды рогульника (несколько мешков) из Мордовии.

Изучением популяции рогульника плавающего (Trapa natans L. ) и озера Чапчор как среды обитания данного растения, учащиеся нашей школы под руководством учителя биологии Ключниковой Е. С. занимаются с 2002 года. Ими было описано сезонное развитие и жизненное состояние популяции рогульника плавающего (Trapa natans L. ) на озере Чапчор. Они предположили, что дефицит кислорода и глубина озера являются ограничивающими факторами в распространении рогульника в пределах озера Чапчор.

Экология рогульника плавающего.

Исследования многих авторов показали, что водяной орех растет в широком интервале глубин и на разных грунтах (Васильев, 1960).

По данным Шилова М. П. и Матвеева В. И. (1996), чаще всего водяной орех встречается на глубине от 40 до 120 см, массовые заросли образует на глубине 100 -120 см. Изредка он произрастает на глубине менее 40 см и более 2м.

В озерах Мордовского заповедника максимальная продуктивность водяного ореха наблюдается на глубине 50 - 70 см (Санаева, 1994). Л. В. Санаева (1994) установила зависимость обилия водяного ореха от мощности наилка, наилучшее развитие наблюдается на глубине 80-120 см при мощности наилка 80-110 см.

Исследования сотрудников Окского заповедника показали, что оптимальная глубина произрастания водяного ореха на этой территории колеблется в достаточно широком интервале — от 60 до 350 см (Самарина, Горянцева, Гущина и др, 1992).

В Брянской области водяной орех растет в стоячих и медленно текучих водах на глубине 1-2,5 м и даже до 3 м (Осипов, 1967).

В приуроченности водяного ореха к определенным глубинам проявляется зональная закономерность: с продвижением с севера на юг в связи с большей прогреваемостью воды водяной орех осваивает все большие глубины, уходя таким образом от конкуренции со стороны прибрежно-водных растений. Освоению все больших глубин способствует постепенное увеличение массы плодов (Матвеев, Шилов, 1996).

На приуроченность водяного ореха к определенным глубинам сказывается прозрачность воды. На северо-западном Кавказе водяной орех обитает в относительно чистых водах на глубине 105-110 см, на илистых грунтах - выдерживает мутную воду с прозрачностью 25-30 см (Матвеев, Шилов, 1996).

Таким образом, приуроченность водяного ореха к определенным глубинам, вероятно, имеет зональные закономерности (Матвеев, Шилов, 1996). На северной границе ареала, где его распространение лимитируется летним прогреванием воды, он занимает мелководья. В этих условиях образуются сравнительно мелкие плоды, которые размещаются на более коротком стебле. (Матвеев, Шилов, 1996).

По мере продвижения к югу водяной орех осваивает большие глубины, чему способствует более глубокое прогревание водоемов и наличие крупных семян, которые способны сформировать за короткий срок длинный стебель (Матвеев, Шилов, 1996).

Водяной орех преимущественно встречается в хорошо прогреваемых, хорошо защищенных от ветров водоемах. На территории Рязанской области из 71 водоема с водяным орехом 43 полузакрытые, 22 закрытые и лишь 6 полностью открытые (Самарина, Горянцева, Гущина и др. , 1992).

Дефицит кислорода в воде озера является лимитирующим фактором, который ограничивает распространение рогульника плавающего (Trapa natans L. ) в водоемах. Из Владимирской области известны данные, свидетельствующие о том, что в условиях активного перемешивания воды и, соответственно, хорошего снабжения кислородом развиваются более мощные растения рогульника плавающего (Trapa natans L. ), образующие 3 – 4 розетки каждое. В то же время при отсутствии «апвеллинга» в тех же водоемах взрослый рогульник имеет 1 – 2 розетки (Басюл, 2005; устное сообщение).

При малой численности и запаздывании созревания плодов, что наблюдается при неблагоприятных погодно-климатических условиях, он может исчезать на 1-2 года, а потом вновь появляться на водоеме за счет ранее не проросших семян, сохраняющихся в грунте дна (Самарина, Горянцева, Гущина и др. , 1992).

Практическая часть.

Паспортные данные исследуемого участка.

ОФИЦИАЛЬНОЕ НАЗВАНИЕ: Озеро «Чапчор»

РАЙОН: Лунинский

МЕСТОПОЛОЖЕНИЕ: расположено в 10 км к северо-востоку от с. Большой Вьяс

КАТЕГОРИЯ ООПТ: памятник природы областного значения

ПОДЧИНЁННОСТЬ: Большевьясское лесничество большевьясского лесхоза

НОРМАТИВНЫЙ АКТ О СОЗДАНИИ: Постановлением Законодательного Собрания Пензенской области от 26. 12. 2000г. № 637-30/23с

ПЛОЩАДЬ: 7, 3 га

ОСНОВНЫЕ ОБЪЕКТЫ ОХРАНЫ: рогульник плавающий, сальвиния плавающая, кувшинка чисто-белая, белокрыльник болотный.

ОПИСАНИЕ ООПТ: Название озера Чапчор происходит от мордовского слова «багор» и характеризует вытянутую (длина около 2км, ширина около 40м) с востока на запад лентовидную форму водоёма, крючковидно изогнутую на западе. Водоём представляет собой глубокую старицу р. Суры, которая со строительством плотины и потеряла связь с рекой даже во время весенних паводков. Близкое залегание карбонатов обеспечивает специфический химический состав воды и соответственно своеобразие водной и околоводной флоры. Растительность южного побережья представлена чередующимися участками прибрежных закустаренных болотных сообществ по понижениям и заболоченных подтопляемых лесов на более высоких элементах рельефа. Самые высокие элементы рельефа южного берега заняты лесными сообществами из дуба черешчатого, липы серцевидной, ольхи черной , вяза гладкого. Выше по склону имеются культуры сосны в возрасте 120 – 150лет. Прибрежные кустарниковые сообщества включают иву пепельную 15-10% покрытия, гигро – гидрофильные травы, среди которых преобладает телорез алоэвидный 95% и многокоренник обыкновенный 45%.

Кроме того, ближе к берегу и на берегу встречаются, камыш озерный, рогоз широколиственный, сабельник болотный, сусак зонтичный.

Местами среди прибрежно-болотных растений доминирует хвощ приречный (до 40%)в сочетании с осокой острой (5%) и ложносытевой (1%), касатиком аировидным, рогозом узколистным, кувшинкой чисто-белой, калужницей болотной.

Ширина прибрежно-водной растительности на южном берегу небольшая (2-3м), местами (по балкам) возрастающая до 10-20м. Прибрежно-водная флора северного берега аналогична южному, но полоса, занимаемая ею, несколько шире (10м и более) в силу большой пологости берега. В её составе, по сравнению с южным берегом, возрастает участие рогоза узколистного, сабельника болотного, дербенника иволистного и несколько сокращается покрытие телорезом (до 20%).

Среди плавающих на поверхности воды близ берегов помимо телореза алоэвидного и многокоренника обыкновенного, имеются такие растения, как ряска трёхдольная, сальвиния плавающая. Близ южного берега имеются растения T. natans. Открытое зеркало воды между северной и южной полосами прибрежной растительности местами прерывается небольшими островками сплавин из сабельника болотного, кубышки желтой, телореза алоэвидного.

В составе погруженных в воду растений преобладает роголистник тёмнозелёный, пузырчатка обыкновенная.

ЗНАЧЕНИЕ ООПТ: областное

ЦЕННОСТЬ ООПТ: природоохранная, научная

НАЛИЧИЕ СЛУЖБЫ ОХРАНЫ: Большевьясский лесхоз

НАЛИЧИЕ УГРОЗЫ УТРАТЫ: нет

СОСТОЯНИЕ ОБЪЕКТА: удовлетворительное.

Определение содержания растворенного кислорода в воде озера Чапчор.

Кислород постоянно присутствует в растворенном виде в поверхностных водах. Содержание растворенного кислорода в воде характеризует кислородный режим водоема и имеет важное значение, для оценки экологического и санитарного состояния водоема. Снижение концентрации растворенного кислорода свидетельствует об изменении биологических процессов в водоеме, о загрязнении водоема интенсивно окисляющимися веществами.

Мы определяли содержание кислорода в пробах воды озера Чапчор в летний период 2009 года по методу Винклера. Метод основан на способности гидроксида марганца (II) окисляться в щелочной среде до гидроксида марганца (IV), количественно связывая при этом кислород. В кислой среде гидроксид марганца (IV) вновь переходит в двухвалентное состояние, окисляя при этом эквивалентное связанному кислороду количества йода. Выделившийся йод оттитровывают тиосульфатом натрия.

Методика выполнения работы:

1. Осторожно набрали воду в бутылку и оставили ее под водой, чтобы в нее не попадали пузырьки воздуха.

2. В пробу воды пипеткой добавили 2 мл раствора хлорида марганца и 2 мл щелочного раствора иодида калия; при этом конец пипетки касался дна бутылки. Более тяжелый раствор солей вытеснил из бутылки равное количество воды, находящейся в верхнем слое.

3. Добавили 2 мл концентрированной соляной кислоты и закрыли бутылку так, чтобы в ней не было пузырьков воздуха. Хорошо потрясли бутылку, чтобы растворился осадок. В результате образовался раствор в избытке иодида калия. Теперь растворенный кислород зафиксирован, и бутылку вынули из воды.

4. Для исследования налили из бутылки в коническую колбу 50 мл воды. Оттитровали ее 0,01 М раствором тиосульфата натрия, поместили в бюретку следующим образом: а) постоянно встряхивая коническую колбу, доливали в нее раствор тиосульфата натрия до тех пор, пока желтый цвет не побледнел; б) добавили капли раствора крахмала в коническую колбу и продолжали титровать, постоянно встряхивая содержимое колбы, до тех пор, пока не исчезла темно-синяя окраска крахмала в присутствии йода. Записали объем израсходованного раствора тиосульфата натрия.

5. Дважды повторили операцию 4, каждый раз с порцией исследуемой воды в 50 мл; вычислили средний объем расходуемого раствора тиосульфата натрия (X).

6. При использовании этих растворов 1 мл 0,01 М раствора тиосульфата натрия соответствует 0,08 мг кислорода в условиях НТД (нормальных температуры и давления).

7. Подсчитали содержание кислорода в литре воды, используя следующую формулу: содержание кислорода мг/л воды =(0,08·X·1000):50, где X - объем раствора тиосульфата натрия, расходуемый на титрование 50 мл воды.

Мы взяли 8 проб на содержание растворенного кислорода: в местах большого скопления рогульника плавающего (4) и местах отсутствия рогульника плавающего (4).

Растения рогульника плавающего (Trapa natans L. ) приурочены именно к той части водоема, где идет наиболее активное перемешивание воды летом. Растворенного кислорода почти в два раза больше в местах скопления рогульника плавающего. По размещению растений в водоеме (близ южного, точнее юго – восточного защищенного стеной леса берега) мы смогли оценить влияние ветра на перемешивание вод и, следовательно, обогащение их кислородом. Северный берег, особенно его северо – восточная часть, за исключением редких кустов ивы, почти совершенно открытый. Поэтому наиболее сильное волнение вызывают северо - восточные ветры близ юго - восточной части побережья. В летние месяцы, в частности в июле, в Пензе и области преобладают ветры именно северных направлений (Жаков, 2005).

Растения рогульника плавающего (Trapa natans L. ) приурочены именно к той части водоема, где идет наиболее активное перемешивание воды летом. Это доказывает предположение, сделанное Люлиной Еленой в своей работе: «Сезонное развитие, численность и жизненное состояние популяции Рогульника плавающего на озере Чапчор», что активное перемещение воды оказалось решающим фактором в проживании зачатков чилима, так как его плоды первоначально высеивали (с лодки) во многих местах северного и южного побережий (устное сообщение работников Б-Вьясского лесничества).

Обогащение воды кислородом в ветряную погоду сделало возможным нормальное развитие рогульника плавающего (Trapa natans L. ) при застойном водном режиме озера, особенно после сооружения плотины. Следовательно, именно дефицит кислорода в воде озера является тем лимитирующим фактором, который ограничивает распространение рогульника плавающего (Trapa natans L. ) в водоеме и, возможно, снижает уровень жизненности растений.

Влияние глубины озера Чапчор на численность рогульника плавающего.

С помощью груза, закрепленного на тросе, мы измерили глубину озера в местах скопления рогульника плавающего и в местах его отсутствия на озере Чапчор. Исследования показали, что глубина произрастания водяного ореха на озере колеблется в достаточно широком интервале — от 80 до 220 см. В местах отсутствия рогульника плавающего глубина озера более 250 см.

В 1991 году на озере Чапчор была построена плотина. Строительство плотины привело к поднятию уровня воды, примерно на 1метр, и к утрате связи водоема с рекой. В 2009 году на озере Чапчор увеличили высоту плотины на 0,3 метра. Количество рогульника плавающего резко сократилось (диаграмма 1).

Динамика численности рогульника плавающего в озере Чапчор.

Возрастание глубины водоема, отрицательно сказалось на численности популяции рогульника. T. natans – однолетнее растение, ежегодно возобновляющееся из семян, поэтому избыточная глубина водоема и отсутствие течения привели к гибели его проростков под водой из-за недостатка питательных веществ для формирования чрезмерно длинного подводного побега.

1. Растворенного кислорода почти в два раза больше в местах скопления рогульника плавающего.

2. Растения рогульника плавающего (Trapa natans L. ) приурочены именно к той части водоема, где идет наиболее активное перемешивание воды летом.

3. Глубина произрастания водяного ореха на озере колеблется в достаточно широком интервале — от 80 до 220 см.

4. Увеличение высоты плотины (2009 г. ) усилило эвтрофикацию водоема и застой его режима. Для сохранения популяции исчезающего вида необходимо увеличить проточность водоема, а значит, ликвидировать плотину.

5. Проведенные исследования могут служить методической основой для более широкой реинтродукции ценного в хозяйственном отношении растения Пензенской области

.

Охрана водяного ореха представляет актуальную мировую проблему — охрану генофонда растительного мира. Вполне вероятно, что во многих водоемах водяной орех представлен особыми формами, разновидностями и видами. С исчезновением водоемов исчезают и виды водяного ореха. Задача ботаников — взять на учет все имеющееся видовое богатство водяного ореха и организовать действенные меры по их сохранению для будущих поколений людей. Водяной орех относится к числу антропических реликтов, так как он исчезает не только вследствие неблагоприятных для него современных климатических условий, но в значительной мере под влиянием изменения местообитаний человеком. Популяции его подвержены воздействию самых различных факторов. Детальный анализ причин сокращения местонахождений и численности популяций водяного ореха показывает, что сохранение его возможно лишь при условии осуществления широкой программы организационных и практических мероприятий. Важная роль принадлежит охрана естественных местообитаний.

Однако одно заповедание водоемов еще не ограждает водяной орех от исчезновения. Наряду с заповеданием необходимо осуществлять и другие мероприятия. Большое значение имеет поддержание целостности популяций, увеличение их количества и численности. Это направление достигается путем осуществления следующих мероприятий:

➢ запрещение сбора плодов и гербаризации;

➢ ограничение массовой пропаганды этого растения, сохранение в тайне мест его произрастания от широкой публики;

➢ запрещение рыбной ловли сетями и бреднями, плавания на лодках на всех водоемах с водяным орехом;

➢ репатриация - вселение водяного ореха во все водоемы, в которых он исчез, после их предварительной очистки от водной растительности; перенос водяного ореха в более благоприятные местные экологические и в другие климатические условия;

➢ организация постоянных наблюдений (мониторинга) над состоянием популяций с целью принятия своевременных, а в случае необходимости и экстренных мер по их спасению.

В Пензенской области возможно культивирование T. natans на мелководьях Сурского водохранилища. Опыт реинтродукции этого растения на озере Чапчор подтверждает такой вывод.