Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Экологическая оценка урбанизированных территорий с применением коэффициента флуктуирующей асимметрии

ВАК РФ 03.02.08, Экология (по отраслям)

Автореферат диссертации по теме "Экологическая оценка урбанизированных территорий с применением коэффициента флуктуирующей асимметрии"

На правах рукописи

ГУРТЯК АЛЕКСАНДР АНАТОЛЬЕВИЧ

ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА УРБАНИЗИРОВАННЫХ ТЕРРИТОРИЙ С ПРИМЕНЕНИЕМ КОЭФФИЦИЕНТА ФЛУКТУИРУЮЩЕЙ АСИММЕТРИИ

03.02.08 - экология (биология)

АВТОРЕФЕРАТ

на соискание учёной степени кандидата биологических наук

Тюмень - 2013

6 ИЮН 2013

005061244

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования Государственном аграрном университете Северного Зауралья

Научный руководитель: доктор биологических наук,

профессор, зав. кафедрой общей биологии Лящев Александр Анатольевич

Официальные оппоненты: Шепелева Людмила Фёдоровна,

доктор биологических наук, профессор, зав. кафедрой ботаники и экологии растений Сургутского государственного университета

Попова Елена Ивановна,

кандидат биологических наук, с.н.с., и.о. зав. лабораторией экотоксикологии Тобольской комплексной научной станции УрО РАН

Ведущая организация: Новосибирский государственный

аграрный университет

Защита состоится «27» июня 2013 г. в 16-00 часов на заседании диссертационного совета Д 220.064.02 при Государственном аграрном университете Северного Зауралья по адресу: 625003, г. Тюмень, ул. Республики, 7 Тел./факс: (3452) 46-87-77, E-mail: dissTGSHA@mail.ru

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Государственного аграрного университета Северного Зауралья

Автореферат разослан: «25» мая 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Литвиненко Наталья Владимировна

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. При разработке мер охраны состояния окружающей природной среды значительный интерес представляет изучение состояния, устойчивости и динамики популяций животных и растений, обитающих в условиях этой среды. Популяции древесных растений представляют собой центральные элементы растительных сообществ, поэтому исследование их характеристик дает основу для широкого спектра работ по их изучению, где приоритетным направлением является оценка их устойчивости.

В настоящее время оценка состояния среды особенно актуальна для городских территорий. При техногенном загрязнении поллютанты в большей степени оказывают влияние на фитоценозы, т.к. растения не могут избежать стрессового воздействия и вынуждены адаптироваться к нему. Это позволяет использовать растения в качестве биоиндикаторов для оценки состояния окружающей среды. Одним из методов биоиндикации является определение флуктуирующей асимметрии как интегрального показателя качества окружающей среды и одновременно показателя устойчивости развития растений.

На основании физико-химических исследований компонентов окружающей среды по данным. НПЦ «Мониторинг» установлено, что в городе Ханты-Мансийске состояние среды остаётся удовлетворительным. Однако для оценки экологической ситуации в данном случае более правильно будет применить биоиндикационную оценку, которая способна интегрально оценить состояние среды и поэтому дать более объективные результаты. В связи с этим изучение изменчивости коэффициента флуктуирующей асимметрии становится актуальным, т.к. такая оценка проводится впервые.

Цель исследований: изучение изменчивости коэффициента флуктуирующей асимметрии у популяции Betula pendula R. для экологической оценки урбанизированных территорий.

Задачи исследований:

1. Провести оценку популяций Betula pendula R. по показателю устойчивости их развития на территории г. Ханты-Мансийска и за его пределами, а так же оценить степень загрязнения компонентов окружающей среды методами физико-химического анализа в местах отбора проб Betula pendula R.

2. Выявить пространственно-временную структуру распределения значений коэффициента флуктуирующей асимметрии.

3. Оценить влияние компонентов окружающей среды на состояние популяций Betula pendula R. Установить основные факторы, влияющие на показатель устойчивости развития.

4. Усовершенствовать методику определения отклонений развития листовой пластинки на примере Betula pendula R. Обосновать возможность использования предложенного средства контроля.

Научная новизна. Впервые охарактеризована многолетняя пространственно-временная динамика коэффициента флуктуирующей асимметрии на территории с разной степенью урбанизации. Выявлены особенности распределения коэффициента асимметрии при среднем уровне техногенного воздействия. На

основании комплексных исследований разработан оригинальный вариант оценки показателя устойчивости развития растений с применением современных компьютерных технологий. Предложены и опробованы технические средства, которые могут реализовать данный метод. Разработан новый вариант бальной шкалы коэффициента флуктуирующей асимметрии, учитывающий характер распределения данного показателя и региональную специфику ХМАО - Югры.

Практическая значимость. Разработанный новый метод оценки устойчивости развития позволяет расширить возможности практического применения методов биоиндикации. Полученные результаты могут быть реализованы при планировании дальнейшего развития г. Ханты-Мансийска.

Составлены базы данных, которые могут быть использованы в качестве основы для мониторинга загрязнения территории г. Ханты-Мансийска, и любых других мониторинговых исследований Betula pendula R. в городских системах. Полученные базы данных в дальнейшем можно использовать для построения прогнозных карт, интегральных карт по нескольким параметрам, карт динамики биологических процессов.

Материалы могут быть использованы для разработки программ и планов по охране окружающей среды. Полученные результаты позволяют выработать рекомендации по созданию и реконструкции санитарно-защитных насаждений, как на территории города Ханты-Мансийска, так и на любых других территориях, характеризующихся смешанным типом загрязнения.

Результаты исследований используются в процессе подготовки бакалавров и магистров по направлению «Экология и природопользование» при проведении лекционно-практических занятий в Югорском государственном университете в рамках четырёх дисциплин. Материалы исследования могут служить основой при подготовке курсовых и дипломных работ.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Коэффициент флуктуирующей асимметрии листовой пластинки Betula pendula R. под влиянием антропогенных и естественных факторов окружающей среды характеризуется достоверными пространственными и межгодовыми различиями, а также не достоверными различиями в течение летнего периода.

2. Модифицированный коэффициент флуктуирующей асимметрии листовой пластинки способен определить степень отклонения от нормы развития растений и оценить комфортность условий окружающей среды для их произрастания.

Обоснованность и достоверность результатов исследований. Достоверность результатов исследования обеспечена обоснованностью методологических положений, соответствием методик исследования поставленным задачам, репрезентативностью анализируемых выборок, большим количеством собранного полевого материала за длительный период, применением методов математической статистики и средств современного программного обеспечения при обработке экспериментальных данных.

Личный вклад соискателя. Диссертация является оригинальной научной работой. Автором определены цель и задачи исследования, подготовлена программа полевых наблюдений и лабораторных опытов. Лично произведена закладка 124 пробных площадок; отобрано около 20 тыс. объектов биоиндикации,

45 проб снега, 96 проб воздуха, 9 проб почвы; осуществлена пробоподготовка; проведено свыше 204 тыс. измерений морфологических признаков, около 580 анализов по определению состава снега, около 130 анализов атмосферного воздуха и 42 анализа на содержание тяжёлых металлов в почве. Статистическая обработка всего представленного в работе материала также проведена автором самостоятельно.

Автор глубоко признателен научному руководителю д.б.н., профессору А. А. Лящеву за ценные консультации и помощь в написании диссертации, к.х.н., доценту В. В. Углеву за консультации в осуществлении лабораторных опытов по химическому анализу компонентов среды, а также д.б.н., доценту А. В. Захарченко за методические указания при отборе проб почвы.

Апробация результатов диссертации. Основные результаты исследований докладывались на: открытой окружной конференции в рамках акции «Спасти и сохранить» (Сургут, 2006); II научно-практической конференции, посвященной памяти А. А. Дунина-Горкавича (Ханты-Мансийск, 2007); VI международном симпозиуме «Контроль и реабилитация окружающей среды» (Томск, 2008);

III научно-практической конференции, посвященной памяти А. А. Дунина-Горкавича (Ханты-Мансийск, 2008); II международной научно-практической конференции «Эколого-экономическая эффективность природопользования на современном этапе развития Западно-Сибирского региона» (Омск, 2008);

IV научно-практической конференции, посвященной памяти А. А. Дунина-Горкавича (Ханты-Мансийск, 2009); 1-ой Городской конференции студентов, магистров и аспирантов «Осмысливая современность» (Ханты-Мансийск, 2010); VI международной научно-практической конференции «Наука и современность» (Новосибирск, 2010); конкурсе на звание молодой учёный года без степени «Дни науки ЮГУ - 2013» (Ханты-Мансийск, 2013).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 работ, из них три - в журналах из Перечня ВАК РФ.

Структура и объем диссертации. Диссертация изложена на 171 листе, состоит из введения, пяти глав, выводов, списка использованной литературы из 212 наименований, в том числе 65 на иностранном языке и 10 приложений. Работа содержит 12 иллюстраций и 32 таблицы без учёта приложений.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ 1 Современное состояние вопроса оценки среды методом флуктуирующей асимметрии

Приводятся сведения о современном состоянии вопроса оценки состояния среды методом флуктуирующей асимметрии. Описаны преимущества биологической оценки перед физико-химическими анализами. Описаны важные и наиболее изученные свойства коэффициента флуктуирующей асимметрии, её отличия от других типов асимметрии, а так же особенности проявления при конкретных естественных и антропогенных факторах среды. Определены наиболее удобные для оценки состояния среды биоиндикаторы. Дано ботаническое описание Betula pendula R., её географическое распространение и биоэкологические свойства.

2 Объекты и методы

По результатам рекогносцировки местности заложено 124 пробных площадки, среди которых выделено 10 основных. Одновременно осуществляли сбор материала с загородных участков, где предположительно наблюдаются условия среднего и незначительного антропогенного загрязнения: район д. Шапша (восточное направление, 24 км от города); район около полигона твёрдо-бытовых отходов (восточное направление, 20 км от города); 28-ой км трассы Ханты-Мансийск-Нягань (западное направление, 20 км от города); остров Большой Чухтинский (северное направление, 22 км от города). Для оценки условного фонового уровня осуществляли сбор на территории государственного природного заказника федерального подчинения «Елизаровский».

Для биоиндикационной оценки состояния природных популяций использована методика по определению коэффициента флуктуирующей асимметрии, разработанная в 2000 г. Институтом биологии развития им. Н. К. Кольцова Российской Академии Наук (авторский коллектив ученых под руководством д.б.н., чл.-корр. РАН В. М. Захарова), а также рекомендации к данной методике.

Исследования снежного покрова (10 пунктов отбора проб) проведены в соответствии с действующим постановлением Правительства ХМАО - Югры от 23.12.2011 № 485-п с учетом РД 52.04.186-89 и РД 52.4.2-94. Исследования атмосферного воздуха (12 пунктов) проводили в соответствии с действующим руководством по контролю загрязнения атмосферы РД 52.04.186-89. Отбор проб почвы (9 пунктов) и их подготовка к анализу проводились в соответствии с ГОСТ 17.4.4.02-84 для всех видов почв. Образцы почвы высушивались на бумаге до воздушно-сухого состояния по ГОСТ 5180-84. Определение концентрации тяжёлых металлов проводилось в соответствии с методикой ПНД Ф 16.1:2.3:3.5008. Все пункты отбора проб по химическим анализам компонентов среды полностью совпадают с пунктами отбора проб, проводимых для биоиндикации.

На пробных площадках пробоотборником собран снежный покров (на всю глубину) и верхние слои почвы (10-15 см) методом конверта. Забор воздуха производился непрерывно через газовый анализатор на высоте 1,5 м от земли в течение 15 минут для каждого вещества (разовые пробы).

Анализ снежного покрова проведён по 23 загрязняющим веществам и показателям, атмосферного воздуха - по 8 веществам, почвы - по 7 веществам. Состав талой воды проанализирован на ионном хроматографе 761 CompactZC. Активная реакция воды (pH), удельная электропроводность и содержание кислорода в пробе определены с помощью переносного прибора TrioMate. Данные по тяжёлым металлам получены с помощью спектрометра с индуктивно-связанной плазмой Optima 2000 DV фирмы Perkin-Elmer (USA). Для анализа атмосферного воздуха использовался переносной прибор ГАНК-4 (КПГУ 413322 002 РЭ).

3 Изучение пространственно-временной динамики показателя устойчивости развития растений

3.1 Определение фоновых значений коэффициента флуктуирующей асимметрии. Получено максимально низкое значение величины флуктуирующей

асимметрии листьев Betula pendula R. в границах охраняемой природной территории. Установлено, что характер условий среды в заказнике «Елизаровский» оценивается I баллом (ФА = 0,0342, при N = 100, S = 0,0070 и доверительном интервале 0,0014). Статистический анализ с использованием t-критерия Стьюдента по величине флуктуирующей асимметрии выявил значимые различия между территорией заказника и городскими площадками.

3.2 Анализ коэффициента флуктуирующей асимметрии в пригороде Ханты-Мансийска. По результатам биомониторинга в 2011 г. (Табл. 1) показатель устойчивости развития популяции Betula pendula R. за чертой города характеризуется незначительным отклонением от нормы (среднее значение ФА = 0,0442, при N = 400, S = 0,023 и доверительном интервале 0,00225).

Таблица 1 - Значения коэффициента флуктуирующей асимметрии (ФА) на пробных площадках пригорода Ханты-Мансийска

| 2005 г. | 2006 г. | 2007 г. | 2008 г. | 2009 г. | 2010 г. | 2011г.

«ТБО»

ФА 0,0542 0,0458 0,0470 0,0542 0,0473 0,0439 0,0478

ДИ 0,0083 0,0054 0,0055 0,0050 0,0051 0,0045 0,0043

Балл V II V IV III III III

«д. Шапша»

ФА 0,0521 0,0440 0,0530 0,0447 0,0534 0,0491 0,0492

ДИ 0,0015 0,0040 0,0056 0,0056 0,0051 0,0045 0,0050

Балл IV II II 11 IV IV III

«о. Большой Чухтинский»

ФА 1 - - - - 0,0423

ДИ - - - - - 0,0046

Балл ! - - - - II

«28 км»

ФА - - - - - - 0,0377

ДИ - - - - - - 0,0037

Балл - - - - - - I

Пригород в целом

ФА 0,0532 0,0426 0,0494 0,0483 0,0487 0,0465 0,0442

ДИ 0,0042 0,0033 0,0034 0,0038 0,0036 0,0032 0,0023

Балл IV II III III III IV II

ФА - коэффициент флуктуирующей асимметрии ДИ - доверительный интервал при а = 0,05

В процессе обследования загородных групп особей за период с 2005 по 2011 гг. отмечены незначительные колебания характера условий среды от условно-нормальных (I балл) до средних (III балл). Такие колебания объясняются неравномерным распределением источников загрязнений между сравниваемыми территориями, метеорологическими параметрами среды, а также влиянием города на изучаемые территории. Например, обнаружено, что западные и юго-западные ветра являются преобладающими, что, возможно, послужило причиной поступления загрязняющих веществ с воздушными массами из города в пригородные участки на востоке и северо-востоке (площадки «ТБО» и «д. Шапша»).

3.3 Анализ коэффициента флуктуирующей асимметрии на территории города Ханты-Мансийска. По результатам биомониторинга в 2011 г. показатель устойчивости развития популяции Betula pendula R. характеризуется средним отклонением от нормы (ФА = 0,04765; N = 1600; S = 0,027; доверительный интервал 0,0013). В процессе обследования городских групп особей за период с 2005 по 2011 гг. отмечены значительные колебания характера условий среды от условно-нормальных (I балл), в отдельные годы, до критических (V балл). Такие колебания объясняются неравномерным распределением загрязняющих веществ из-за слабого перемешивания воздушных масс и сложной схемой их переноса от источников загрязнений (Табл. 2).

Таблица 2 - Значения коэффициента флуктуирующей асимметрии (ФА) на постоянных пробных площадках г. Ханты-Мансийска

| 2005 г. | 2006 г. | 2007 г. | 2008 г. 1 2009 г. | 2010 г. | 2011г. | Среднее

«Самарово»

ФА 0,0610 0,0510 0,0559 0,0445 0,0470 0,0413 0,0470 0,0497

ДИ 0,0019 0,0060 0,0045 0,0040 0,0055 0,0045 0,0050 0,0022

Балл V | IV V II III II III III

«Сутормина»

ФА 0,0449 0,0488 0,0509 0,0448 0,0463 0,0498 0,0489 0,0478

ДИ 0,0015 0,0044 0,0052 0,0045 0,0045 0,0045 0,0024 0,0019

Балл 11 III IV II III III III III

«Гагарина»

ФА 0,0492 0,0522 0,0533 0.0468 0,0483 0,0493 0,0461 0,0493

ДИ 0,0019 0,0048 0,0064 0,0047 0,0052 0,004 0,0041 0,0022

Балл III IV IV III III III III III

«Затонская»

ФА 0,0496 0,0525 0,051 0,051 0,0404 0,0402 0,0424 0,0468

ДИ 0,0017 0,0063 0,0056 0,0056 0,0043 0,0046 0,0045 0,0023

Балл III IV IV IV II II II III

«Центр»

ФА 0,0531 0,0518 0,0544 0,0464 0,0587 0,0579 0,0548 0,0539

ди 0,0018 0,0053 0,0047 0,0053 0,0054 0,0052 0,0026 0,0022

Балл IV IV V III V V V IV

«АТП»

ФА 0,0501 0,0537 0,058 0,0528 0,0538 0,0549 0,0465 0,0527

ДИ 0,0014 0,0059J 0,0049 0,0053 0,0053 0,0042 0,0044 0,0023

Балл IV IV V IV IV V III IV

«ОМК»

ФА - 0,0538 0,0566 0,0533 Г 0,0466 0,0464 0,0425 0,0491

ДИ - 0,0048 0,0052 0,0052 0,0043 0,0043 0,0042 0,0023

Балл - IV V IV III III II III

г. Ханты-Мансийск

ФА 0,0513 0,0520 0,0543 0,0485 0,0487 0,0485 0,0469 0,0499

ди 0,0014 0,0027 0,0026 0,0025 0,0025 0,0022 0,0020 0,0023

Балл IV IV IV III III III III III

ФА - коэффициент флуктуирующей асимметрии ДИ - доверительный интервал при а = 0,05

Из таблицы 2 видно, что наиболее благоприятные условия среды для произрастания Betula pendula R. отмечены на площадке «Затонская». Одинаковые условия среды наблюдаются на площадках «Сутормина» и «д. Шапша», которые достоверно оцениваются III баллом (средние отклонения от нормы). Приблизительно одинаковые условия среды наблюдаются на площадках «Самарово», «Гагарина», «ОМК» и «ТБО», которые по средним значениям коэффициента асимметрии характеризуются III баллом, однако по верхней границе доверительного интервала оцениваются IV баллом. Значительные отклонения от нормы (IV балл) обнаружены на площадках «Центр» и «АТП». Следует отметить, что на постоянных пробных площадках характер условий среды оцениваемый по средним значениям изменяется в пределах III - IV балла. Не обнаружены площадки с условно-нормальными и критическими условиями среды.

Для пространственной характеристики состояния популяции Betula pendula R., а также оценки состояния окружающей среды построены биоиндикационные карты для территории г. Ханты-Мансийска с применением метода построения изолиний и без него. Использованный метод позволил выявить экологическую разнородность условий среды и степень отклонения от экологического оптимума не только в местах отбора проб, но и для территорий, где отбор проб не осуществлялся.

Проведён анализ пространственного распространения градиента экологических условий произрастания Betula pendula R. по балльной шкале В. М. Захарова и установлено, что территория города неоднородна по значениям коэффициента флуктуирующей асимметрии. Анализ показал, что 33% площади города занимают территории со средними отклонениями от нормы (III балл), 27% - территории с незначительными отклонениями от нормы (II балл), 23% — территории со значительными отклонениями (IV балл), примерно 9,5% -территории с условно нормальным состоянием (I балл), примерно 6,5% площади занимают территории с критическими условиями среды (V балл).

Обнаружены участки экологического комфорта, а также участки с неблагоприятными условиями среды. Крупные районы с наименьшими отклонениями в развитии растений находятся на окраине города и около сегментов природного парка «Самаровский чугас». Районы с наибольшими отклонениями в развитии сосредоточены в центре города и вдоль главных автомагистралей г. Ханты-Мансийска, таких как северная и восточная объездные дороги, ул. Гагарина, ул. Энгельса. Это говорит о том, что одним из ведущих факторов, негативно влияющих на развитие растений в городе, может являться автотранспорт.

Одним из естественных факторов, который в значительной степени может влиять на комфортность условий среды, является рельеф местности, сформированный в большей степени «Самаровским останцом». Останец располагается в центральной части города и представляет из себя овальный холм высотой 120 м и площадью 11,2 км2. На основании того, что для городских пробных площадей установлены внутригодовыё межобъектные различия, проведён анализ данных коэффициента флуктуирующей асимметрии на наличие

влияния данного фактора. Критерием выделения орографических районов выступили отметки высот относительно уровня моря. Интервал максимальной и минимальной высоты разбит на три равные части, таким образом, выделено три яруса. Первый ярус располагается у подножия останца и вокруг него, второй — на склоне, третий - на его вершине. В рамках работы 2007, 2009, 2010 гг. было обследовано 124 пробных площадки, из них 68 отнесены к первому ярусу, 36 - ко второму, остальные 20 - к третьему. Полученные данные по коэффициенту флуктуирующей асимметрии для каждого яруса приведены в таблице 3.

Таблица 3 - Значения коэффициента флуктуирующей асимметрии по ярусам

2007 г. 2009 г. 2010 г.

1-й ярус 2-й ярус 3-й ярус 1-й ярус 2-й ярус 3-й ярус 1-й ярус 2-й ярус 3-й ярус

ФА 0,0568 0,0557 0,0563 0,0506 0,0497 0,0496 0,0493 0,0448 0,0467

Балл V V V IV III III III II III

Выборка 2152 1220 740 2033 1160 740 2130 930 740

Минимум 0 0,00198 0 0,00267 0,00174 0 0 0 0

Максимум 0.3187 0,2424 0,2557 0,2216 0,2142 0,1489 0,2219 0,2224 0,134

Коэфф. вариации 0,0183 0,0169 0,0166 0,0127 0,0144 0,0135 0,0118 0,0109 0,0113

ДИ . 0,0014 0.0017 0,0022 0,0011 | 0,0015 0,0019 0,001 0,0014 0,0017

ФА - коэффициент флуктуирующей асимметрии ДИ - доверительный интервал при а = 0,05

Для изучения действия факторов пространственного расположения (фактор «ярус») и временного хода (фактор «год») на формирование величины флуктуирующей асимметрии, использован дисперсионный анализ. В результате проведённого анализа установлено статистически значимое влияние фактора «ярус» (F = 7,31; р < 0,05) и фактора «год» (F = 101,44; р < 0,05) на коэффициент флуктуирующей асимметрии по отдельности; совместного влияния данных факторов не выявлено (F = 1,96; р < 0,05).

3.4 Временная динамика коэффициента флуктуирующей асимметрии. Исследована динамика коэффициента флуктуирующей асимметрии в течение одного вегетационного периода. Установлено, что после остановки основных ростовых процессов значение коэффициента не изменяется до полного отмирания листа. Изменений коэффициента в течение периода июнь-август не происходит. Регистрируемое влияние на лист оказывается лишь в период, когда происходит интенсивный рост и формирование листовой пластинки. Статистический анализ значений коэффициента с использованием t-критерия Стьюдента не выявил значимые различия между летними месяцами. Сравнивая индивидуальные месячные и итоговые данные можно заключить, что сбор материала на территории ХМАО - Югры для определения показателя устойчивости развития может происходить в любой месяц, начиная с июля и до сентября включительно.

Исследована многолетняя динамика коэффициента флуктуирующей асимметрии с 2005 по 2011 гг. Анализ коэффициента флуктуирующей асимметрии в течение семи лет выявил динамику состояния популяции Betula pendula К.,

которая показывает улучшение состояния городской среды и увеличение устойчивости развития растений. Также это подтвердил анализ карт, по результатам которого отмечено сокращение количества районов с критическими условиями. На основании полученных трендов коэффициента флуктуирующей асимметрии все изучаемые пробные площадки города распределены по трём группам: первая — флуктуирующая асимметрия в течение исследуемого периода увеличивается, вторая - уменьшается, третья - не меняется.

К первой группе среди основных пробных площадок можно отнести только площадку «Центр», которая располагается в центральной части г. Ханты-Мансийска и по результатам биомониторинга 2011 г. имеет самое высокое значение коэффициента флуктуирующей асимметрии. Ко второй группе относятся площадки «Самарово», «Затонская», «ОМК» и «ТБО». К третьей группе относятся «Сутормина», «АТП» и «д. Шапша». Обнаружено, что в пригороде значения коэффициента флуктуирующей асимметрии изменяются менее выражено, чем в городе, однако в целом изменения согласованны.

4 Модификация метода определения устойчивости развития растений

Описан и апробирован новый подход в определении условий среды по показателю флуктуирующей асимметрии, основанный на описании морфологического объекта через его форму и размеры. Доказано, что определение величины площади каждой половинки листа, а затем их попарное сравнение, может дать оценку их различия в виде коэффициента флуктуирующей асимметрии. Разработанная модификация метода определения коэффициента флуктуирующей асимметрии имеет больший потенциал, т.к. учитывает больше, чем 5 стандартных промеров, при этом косвенно регистрируются и другие характеристики листа, которые отражают степень нарушений в развитии.

В первую очередь определена и описана технология, позволяющая измерить площади фигур сложной конфигурации листовых пластинок. Для этого использовано программное обеспечение, предназначенное для работы с цифровыми изображениями, при этом зачастую экономится значительное количество времени по сравнению с классической методикой, а также уменьшается вероятность появления ошибок при получении первичных данных.

Проведена проверка на вид распределения измеряемых величин. Для проверки соответствия значений выборок (К = 400) закону нормального распределения использован критерий Колмогорова-Смирнова (оценка характера распределения (Я - Ь) изучаемого признака, где Ь и Я - величина признака с левой и правой сторон). Анализ показал, что значения выборок соответствуют закону нормального распределения. Таким образом, подтверждено отсутствие проявления направленной асимметрии и антисимметрии у нового промера, а значит, доказана возможность его использования в оценке устойчивости развития.

Проведён анализ на наличие корреляционной связи между абсолютными значениями асимметрии (Я - Ь) и средними значениями признака (Л + Ь) / 2. Анализ проводился для всех групп листьев, было задействовано 10 ООО абсолютных и 5 ООО средних значений. Корреляция между значениями (И. - Ь) и (II + Ь) / 2 не найдена, что позволяет говорить об отсутствии влияния размера

(величины) признака на флуктуирующую асимметрию листовых параметров (г = 0,04; р < 0,05).

С использованием линейной корреляции Пирсона изучена взаимосвязь асимметрии площади листовой пластинки и асимметрии промеров по классической методике. В результате анализа получены коэффициенты корреляции, приведённые в таблице 4.

Таблица 4 - Коэффициенты линейной корреляции Пирсона между значениями асимметрии пяти классических промеров листа и флуктуирующей асимметрии площади (ФАП) с 2009 по 2011 гг.

1-й промер 2-й промер 3-й промер 4-й промер 5-й промер ФАП

1-й промер - 0,27* 0,22* 0,10 0,03 0,20*

2-й промер 0,27* - 0,09 0,43* 0,16 0,50*

3-й промер 0,22* 0,09 - 0,05 0,12 0,03

4-й промер 0,10 0,43* 0,05 - 0,23* 0,40*

5-й промер 0,03 0,16 0,12 0,23* - 0,11

ФАП 0,20* 0,50* 0,03 0,40* 0,11 -

ФА 0,44* 0,49* 0,73* 0,56* 0,52* 0,32*

* — значимо при р < 0,05

Наибольшие коэффициенты корреляции получены для 2-го (г = 0,49; р < 0,05) и 4-го (г = 0,39; р < 0,05) промеров. Самые низкие коэффициенты найдены для 3-го (г = 0,03; р > 0,05) и 5-го (г = 0,11; р > 0,05) промеров, что говорит об отсутствии связи между ними. Это объясняется месторасположением данных промеров, т.к. они находятся в центре листовой пластинки и не могут влиять на разницу площадей половинок. Показатель асимметрии площади не чувствителен к величинам данного типа признаков.

Вычислен относительный размах вариации (Уя), который может сказать об их чувствительности. Наибольшим размахом обладает 1-й промер (Ук = 7,8), в то время как остальные промеры изменяются в пределах от 4,0 до 4,3.

Таким образом, для получения более независимой и объективной оценки состояния среды, а также для уменьшения вероятности ошибки, когда оценка производится на основе одного вида промера, предложено объединить асимметрию площади, а также 3-й и 5-й промеры из классической методики (как наименее скоррелированные) в систему признаков. К тому же анализ промеров классической методики показал, что промеры 3 и 5 проявляют наибольшую чувствительность и являются оптимальными для оценки устойчивости развития. Таким образом, мы имеем тесно скоррелированные (г = 0,92; р < 0,05; N = 8 000) значения площади на левой и правой сторонах листа, и в тоже время нескоррелированные между собой значения разных признаков, равно как и величины их асимметрий. Получаемый в данном случае коэффициент флуктуирующей асимметрии будет носить название модифицированного коэффициента флуктуирующей асимметрии (далее - МКФА).

Разработана балльная шкала МКФА для оценки условий окружающей среды в подзоне средней тайги, которая позволяет проводить более упрощённую и генерализованную оценку состояния среды, увеличить степень сопоставимости сравниваемых значений, а также учитывать региональную специфику (табл. 5).

Таблица 5 - Нормативные и модифицированные величины интервалов шкалы

Балл Состояние среды Величина ФА Величина МКФА

I Условно нормальное < 0.040 < 0.025

II Начальные отклонения от нормы 0.040-0.044 0.025-0.045

III Средний уровень отклонений от нормы 0.045-0.049 0.045-0.060

IV Существенные отклонения от нормы 0.050-0.054 0.060-0.080

V Критическое состояние > 0.054 >0.080

Предлагаемый вариант пятибалльной шкалы оценки состояния среды позволяет более правильно учитывать её фактические градации на основе изменённого набора признаков листовой пластинки Betula pendula R. К тому же модифицированная шкала имеет более широкий размах значений, что говорит о её большей чувствительности.

По результатам биомониторинга с применением МКФА построена карта, где отражены условия среды на территории г. Ханты-Мансийска в 2011 г. В 70% случаев (без учёта доверительного интервала) получены идентичные баллы условий среды, как и при использовании классической методики. При интерпретации полученных коэффициентов с учётом доверительного интервала различий между методиками не обнаружено. Найдена высокая корреляционная связь между изучаемыми коэффициентами (г = 0,85; р < 0,05; N = 10 000). Так, например, согласно обеим шкалам состояние среды в г. Ханты-Мансийске в 2010 г. характеризуется III баллом (ФА = 0,04766; МКФА = 0,04617). По данным МКФА, также, как было получено ранее в классической методике, благоприятные условия среды находятся около границы природного парка «Самаровский чугас» и около границы города, а наиболее неблагоприятные - в его центре. Однако по данным МКФА отмечено отсутствие районов с критическими условиями среды, что более соответствует реальным параметрам растений, полученным в результате визуальной оценки. Считаем, что этот метод может быть использован как инструмент морфологического анализа наряду с другими методами оценки флуктуирующей асимметрии.

5 Выявление нарушений развития Betula pendula R. при воздействии неблагоприятных факторов среды

Проведён анализ данных коэффициента флуктуирующей асимметрии и результатов физико-химических анализов компонентов среды (снежный покров, почва и атмосферный воздух), который позволил выявить связь между нарушениями в развитии растений и воздействием конкретных факторов среды.

11

В первую очередь рассмотрены некоторые метеорологические характеристики, наблюдаемые в этот же период времени, которые в значительной степени могли повлиять на исследуемый показатель. В данном анализе использована объединённая выборка листьев городской территории. Результаты корреляционного анализа приведены в таблице 6.

Таблица 6 - Коэффициенты линейной корреляции Пирсона между значениями флуктуирующей асимметрии и некоторыми метеорологическими характеристиками (2005-2011 гг.)

январь-декабрь май-июнь май-август

Средняя температура воздуха, Т (°С) 0,5 0,3 0,8*

Относительная влажность воздуха, 14%) <0,1 0,7* 0,5

Содержание кислорода, О2 (г/м3) -0,1 0,3 -0,3

Температура минимальная за сутки, Ттш (°С) -0,1 -0,2 0,6

Температура максимальная за сутки, Тшах (°С) 0,1 -0,2 0,2

Количество осадков, К (мм) 0,6 0,9* <0,1

Высота снежного покрова, Б 0,1 н/н н/н

Продолжительность солнечного сияния, (час) 0,6 0,7 0,6

Сумма активных температур, Т > 10°С 0,4 0,04 0,5

н/н - не наблюдается

* — значимо при р < 0,05

Из таблицы 6 видно, что наибольшее влияние на коэффициент флуктуирующей асимметрии оказывается суммой осадков, продолжительностью солнечного сияния и влажностью воздуха в период активного роста листовой пластинки (для ХМАО - Югры в период май-июнь). Это говорит о том, что при оценке влияния факторов антропогенного характера необходимо учитывать естественные условия среды, особенно те, которые сильно отличаются от нормы для исследуемого региона. И, как обнаруживает данное исследование, наиболее важно их учитывать в период формирования листовой пластинки.

Найдено, что такие характеристики зимнего периода как средние и минимальные температуры прошлого года на показатель флуктуирующей асимметрии текущего года не влияют. Это же справедливо для суммы осадков, средних и максимальных температур летнего периода.

Химический анализ атмосферного воздуха показал, что его состояние на территории г. Ханты-Мансийска характеризуется слабым загрязнением. Этому способствует отсутствие в городе крупных предприятий и промышленных центров. По восьми обнаруженным веществам в атмосферном воздухе для каждой пробной площадки и в целом по городу рассчитан комплексный индекс загрязнения атмосферы (КИЗА8). Уровень загрязнения атмосферного воздуха в г. Ханты-Мансийске в 2011 г. оценивается как слабо загрязнённый (КИЗА8 = 7,49). Однако степень загрязнения атмосферного воздуха в отдельных случаях превышает санитарно-гигиенические нормативы. Основное влияние на качество воздуха оказывает запылённость и аэрозоли автотранспорта. Например, установлено, что примерно 60% территорий превышают значения фоновой пылевой нагрузки г. Ханты-Мансийска.

В снежном покрове в 2011 г. содержание таких веществ как свинец (РЬ), никель (N1), фтор (И), диоксид азота (ЫСЬ), нитрат ион (Ы03"). сульфат ион (8042 ) и калий (К) практически везде не превышает ПДК или фоновое значение. Концентрации таких веществ как хром (Сг), железо (Ре), марганец (Мп), кальций (Са), магний (Мс) и аммоний (ЫН4) местами незначительно превышают ПДК или фоновое значение. Значительно превышают ПДК медь (Си) в среднем — в 8 раз, цинк (7.п) в среднем - в 3,5 раза, хлор (С1) в среднем - в 13 раз, натрий (Ыа) в среднем - в 8 раз. Среднее значение рН свидетельствует о том, что выпадающие осадки не являются кислыми (рН = 7,26).

Анализ результатов наблюдений за состоянием снежного покрова в границах исследуемых участков показал, что по всем веществам уровень загрязнения в 2011 г. по сравнению с 2010 г. снизился. Наибольшее достоверное превышение фонового значения обнаружено для № и С1. Предполагаем, что это вызвано попаданием на исследуемые участки солей, которыми обильно посыпаются дорожные покрытия города, располагающиеся в большинстве случаев в непосредственной близости от площадок. Это могло послужить одной из причин отклонений в развитии растений. По остальным веществам превышение менее значительное или отсутствует вовсе.

Проведён анализ влияния механического состава почвы на коэффициент флуктуирующей асимметрии, по результатам которого связь между ними не установлена. По содержанию 7п, РЬ и Ре, содержащихся в почвенном покрове, выделяются площадки «Сутормина» и «Центр». Повышенное содержание Мп обнаружено на территориях «ТБО», «Сутормина» и «Центр». Если на площадке «Центр» содержание Мп лишь немного превышает среднее значение, то на «Сутормина» и «ТБО» его содержание превышает среднее в 2 раза. Повышенное содержание такого набора металлов как Си, Мп, Хп и РЬ на указанных площадках характерно для аэрозольного загрязнения, поступающего от автомобильного транспорта. Также установлено, что концентрация Си, РЬ и 7.п выше на городских участках, в то время как для загородных участков наблюдается обратная ситуация. По-видимому, это один из основных источников загрязнения. Содержание N1 определено только для загородных участков, среди которых выделяется площадка «д. Шапша». По содержанию Сг и Си выделяются площадки «д. Шапша» и «Центр», причём в обоих случаях доверительный интервал не перекрывается со средним значением.

Результаты корреляционного анализа, отражающие связь значений средней величины коэффициента флуктуирующей асимметрии в период с 2005 по 2011 гг. и данными химического анализа компонентов среды, приведены в таблице 7, из которой видно, что наибольшие показатели коэффициента найдены для тяжёлых металлов. Сильная связь наблюдается со РЬ (г = 0,72; р < 0,05) из проб почвы, который является одним из наиболее токсичных. Также относительно высокие значения концентрации получены для Си (г = 0,6; р < 0,05), 7.п (г = 0,57; р > 0,05) и N1 (г = 0,57; р > 0,05). По-видимому, подвижные формы тяжёлых металлов являются основными загрязнителями, которые в наибольшей степени влияют на коэффициент флуктуирующей асимметрии.

Меньшее воздействие на величину коэффициента флуктуирующей асимметрии оказывают компоненты атмосферного воздуха, среди которых сумма оксида азога (N0) и диоксида азота (Ы02) с отрицательным коэффициентом корреляции г = -0,64. Это объясняется свойствами усвоения К02 (и, как следствие, N0), который восстанавливается в хлоропластах и в качестве >Щ2- группы входит в аминокислоты. Благоприятное воздействие происходит при небольших концентрациях вещества (до 0,18 мг/м3).

Таблица 7 - Значения линейной корреляции между коэффициентом флуктуирующей асимметрии и данными химического анализа компонентов среды

(2005-2011 гг.)

Вещество/ Показатель Коэффициент корреляции, г Вещество/ Показатель Коэффициент корреляции, г

& БОг, мг/л 0,03 РН -0,06

СН4, мг/л 0,18 ВПК -0,26

п О N0, мг/л -0,63 Минерализация 0,20

>3 СО, мг/л -0,26 Электропроводность 0,32*

£ Е. о с6н5он -0,07 К+, мг/л 0,09

неон 0,06 N03", мг/л -0,20

о о ЫОг, мг/л -0,45 5 Вг", мг/л 0,19

Р Пыль, мг/л 0,23 Я Ы02\ мг/л -0,01

< N0 + N0? -0,64* О о Са2\ мг/л -0,03

РЬ, мг/кг 0,72* мг/л 0,16

мг/кг 0,57 В. СГ, мг/л 0,29

со №, мг/кг 0,57 мг/л 0,33

о. Сг, мг/кг 0,36 о ЫН4\ мг/л -0,08

О С Ре, мг/кг 0,44 5 ЭО^', мг/л 0,54*

Я Мп, мг/кг 0,30 гп", мг/л 0,14

X Си, мг/кг 0,60* Сг"+, мг/л 0,41*

и Ре3+, мг/л 0,51*

о Мп^, мг/л 0,41*

Си^"1", мг/л 0,01

Б", мг/л 0,47

* - значимо при р < 0,05

В виду отсутствия в городе крупных промышленных предприятий основное влияние на среду оказывает автотранспорт, что частично подтверждают химические анализы компонентов среды, а также факт увеличения флуктуирующей асимметрии вдоль главных автомагистралей. Статистический анализ данных единиц городского автотранспорта объясняет причины изменения коэффициента флуктуирующей асимметрии с 2005 по 2011 гг. Получен высокий коэффициент линейной корреляции Пирсона (г = 0,75; р < 0,05) между коэффициентами флуктуирующей асимметрии и отношением отечественных автомобилей к иностранным. Наблюдается переход на более экологически чистые автомобили с новыми системами контроля работы двигателя и более эффективными фильтрами. Также для повышения качества автомобильного бензина доля присадок снизилась в десятки раз, а от свинца полностью отказались.

Одновременно с этим, в стране вводят новые экологические нормы на топливо Euro-2, затем Euro-З, в начале 2012 г. введён новый стандарт Euro-4.

ВЫВОДЫ

1. Показатель устойчивости развития популяции Betula pendula R в черте города, выраженный коэффициентом флуктуирующей асимметрии в период с 2005 по 2011 гг., значительно изменяется между выделенными группами особей. Общий показатель устойчивости развития популяции Betula pendula R характеризуется средним отклонением от нормы (ФА = 0,0499 ± 0,0023; III балл).

2. Выявлена пространственно-временная структура распределения значений коэффициента флуктуирующей асимметрии, что позволило обозначить участки с благоприятными и неблагоприятными характерами условий окружающей среды. Районы с наименьшими отклонениями в развитии растений находятся на окраине города (ФА = 0,0468 ± 0,0023; III балл) и около сегментов природного парка «Самаровский чугас». Районы с наибольшими отклонениями в развитии сосредоточены в центре города (ФА = 0,0539 ± 0,0022; IV балл) и вдоль главных городских улиц.

3. Величина коэффициента флуктуирующей асимметрии достоверно зависит от пространственного расположения и временного хода как на территории города, так и за его пределами. Результаты анализа свидетельствуют о том, что фактор пространственного расположения влияет на показатель флуктуирующей асимметрии сильнее фактора временного хода.

4. Ведущими антропогенными факторами, влияющими на развитие растений, являются загрязнение аэрозолями от автотранспорта, загрязнение атмосферного воздуха взвешенными частицами и загрязнение верхнего слоя почвы тяжёлыми металлами. Среди естественных факторов сильную связь с коэффициентом флуктуирующей асимметрии проявляют количество осадков (г= 0,7; р < 0,05), влажность воздуха (г = 0,9; р < 0,05), продолжительность солнечного сияния (г = 0,7; р > 0,05).

5. Ежегодная оценка величины коэффициента флуктуирующей асимметрии в течение семи лет выявила динамику состояния популяции Betula pendula R, которая показывает улучшение состояния городской среды. Количество районов с критическими значениями коэффициента флуктуирующей асимметрии сократилось, а устойчивость развития растений увеличивается. В течение летнего периода коэффициент флукту ирующей асимметрии не изменяется. Betula pendula R. чувствительна к неблагоприятным факторам среды на ранних стадиях развития листовой пластинки (май-июнь).

6. Модифицированная методика определения коэффициента флуктуирующей асимметрии позволяет сократить временные и трудовые затраты, повысить точность получения первичных данных.

7. Выявлены особенности распределения коэффициентов флуктуирующей асимметрии популяции Betula pendula R. на территории г. Ханты-Мансийска, отражающие дифференциацию условий окружающей среды по степени комфортности для населяющих её живых организмов.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Гуртяк A.A., Углев В.В. Оценка здоровья среды в г. Ханты-Мансийске по показателю флуктуирующей асимметрии у берёзы повислой // Биоресурсы и природопользование в Ханты-Мансийском автономном округе: проблемы и решения: Мат. Открытой окружной конф. в рамках акции «Спасти и сохранить». Сургут, 2006. С. 87-88.

2. Гуртяк A.A., Углев В.В. Оценка здоровья среды по показателю флуктуирующей асимметрии у березы повислой в черте города Ханты-Мансийска за 2003-2005 г. // Мат. II науч.-практ. конф. Ханты-Мансийск, 2007. С. 84-85.

3. Гуртяк A.A. Пространственно-временная динамика флуктуирующей асимметрии листовой пластинки берёзы повислой в Ханты-Мансийске // Эколого-экономическая эффективность природопользования на современном этапе развития Западно-Сибирского региона: Мат. II Междунар. науч.-практ. конф. Омск, 2008. С. 227-229.

4. Гуртяк A.A., Углев В.В. Оценка состояния окружающей среды г. Ханты-Мансийска методом биоиндикации с использованием берёзы повислой // Вестник Югорского государственного университета. Ханты-Мансийск, 2008. №3. С. 81-84.

5. Гуртяк A.A., Углев В.В. Биомониторинг городской среды с использованием березы повислой // Контроль и реабилитация окружающей среды: Мат. VI Междунар. симпозиума. Томск, 2008. С. 170-171.

6. Углев В.В., Гуртяк. A.A. Оценка состояния окружающей среды г. Ханты-Мансийска методом биоиндикации // Мат. IV науч.-практ. конф. Ханты-Мансийск, 2008. С. 49.

7. Гуртяк A.A., Углев В.В. Исследование флуктуирующей асимметрии и, ее пригодность для мониторинга зеленых насаждений / Наука и современность -2010: Сб. мат. VI Междунар. науч.-практ. конф. в 2-х частях. Часть 1 / Под общ. ред. С.С. Чернова. Новосибирск, 2010. С. 38-43.

8. Гуртяк A.A. Геоэкологическое зонирование территории на основе данных о величине коэффициента флуктуирующей асимметрии берёзы повислой // Мат. VI науч.-практ. конф. Ханты-Мансийск, 2010. С. 36-37.

9. Гуртяк A.A., Углев В.В. Оценка состояния среды городской территории с использованием березы повислой в качестве биоиндикатора // Известия Томского политехнического университета. Науки о Земле. Т. 317. №1. 2010. С. 200-204.

10. Гуртяк A.A. К вопросу оценки состояния среды урбанизированных территорий с использованием коэффициента флуктуирующей асимметрии // Вестник МГОУ. Серия "Естественные науки". № 5. Москва, 2012. С. 85-88.

11. Гуртяк A.A. Новый подход при оценке состояния природных систем с использованием коэффициента флуктуирующей асимметрии // НАУЧНЫЙ АСПЕКТ №3. Самара, 2012. С. 90-94.

12. Гуртяк A.A. Лящев A.A. Определение флуктуирующей асимметрии листьев Betula pendula R. как метод оценки уровня техногенного загрязнения // Агропродовольственная политика России. № 3. Тюмень, 2013. С. 7-21.

Подписано в печать 23.05.2013 г. Тираж 120 экз. Печать трафаретная. Заказ 071. Отпечатано в печатном цехе «Ризограф» Тюменского Аграрного Академического Союза 625003, г. Тюмень, ул. Республики, 7

Текст научной работыДиссертация по биологии, кандидата биологических наук, Гуртяк, Александр Анатольевич, Тюмень

ФГБОУ ВПО «ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АГРАРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

СЕВЕРНОГО ЗАУРАЛЬЯ»

ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА УРБАНИЗИРОВАННЫХ ТЕРРИТОРИЙ С ПРИМЕНЕНИЕМ КОЭФФИЦИЕНТА ФЛУКТУИРУЮЩЕЙ АСИММЕТРИИ

Специальность 03.02.08 - экология (биология)

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Научный руководитель д.б.н., проф. Лящев А.А.

Тюмень - 2013

Оглавление

ВВЕДЕНИЕ...............................................................................................................5

ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА ОЦЕНКИ СРЕДЫ МЕТОДОМ ФЛУКТУИРУЮЩЕЙ АСИММЕТРИИ...........................................11

1.1 Современные проблемы оценки качества окружающей среды..................11

1.2 Устойчивость развития как показатель условий среды..............................14

1.3 Классификация асимметрии биологических объектов...............................17

1.4 Интегральная оценка состояния окружающей среды по показателю флуктуирующей асимметрии.............................................................................20

1.5 Основные результаты изучения коэффициента флуктуирующей асимметрии растительных объектов..................................................................25

1.5.1 Влияние химических факторов на показатель флуктуирующей асимметрии.......................................................................................................26

1.5.2 Влияние ионизирующего и неионизирующего излучения на показатель флуктуирующей асимметрии..........................................................................28

1.5.3 Влияние естественных условий произрастания на показатель флуктуирующей асимметрии..........................................................................29

1.6 Эколого-ботаническое описание Betulapendula Roth.................................35

1.6.1 Ботаническое описание...........................................................................35

1.6.2 Географическое распространение..........................................................36

1.6.3 Биоэкологические свойства....................................................................37

ГЛАВА 2. ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ.......................................................................38

2.1 Организация исследований...........................................................................38

2.2 Краткая характеристика пунктов отбора проб.............................................41

2.2.1 Описание государственного природного заказника «Елизаровский»..41

2.2.2 Описание пробных площадок на территории г. Ханты-Мансийска и пригородной территории.................................................................................44

2.3 Методы исследований...................................................................................48

2.3.1 Биоиндикационная оценка......................................................................48

2.3.2 Сбор и химический анализ снежного покрова.......................................51

2.3.3 Сбор и химический анализ проб атмосферного воздуха.......................52

2.3.4 Расчёт комплексного индекса загрязнения атмосферы.........................52

2.3.5 Сбор и химический анализ проб верхнего слоя почвенного покрова..53

ГЛАВА 3. ИЗУЧЕНИЕ ПРОСТРАНСТВЕННО-ВРЕМЕННОЙ ДИНАМИКИ ПОКАЗАТЕЛЯ УСТОЙЧИВОСТИ РАЗВИТИЯ РАСТЕНИЙ............................55

3.1 Определение фоновых значений коэффициента флуктуирующей асимметрии..........................................................................................................55

3.2 Анализ коэффициента флуктуирующей асимметрии в пригороде Ханты-Мансийска............................................................................................................56

3.2 Анализ коэффициента флуктуирующей асимметрии на территории города Ханты-Мансийска...............................................................................................59

3.4 Временная динамика коэффициента флуктуирующей асимметрии...........68

ГЛАВА 4. МОДИФИКАЦИЯ МЕТОДА ОПРЕДЕЛЕНИЯ УСТОЙЧИВОСТИ РАЗВИТИЯ РАСТЕНИЙ.......................................................................................78

4.1 Описание нового подхода и создание алгоритма для его реализации.......78

4.2 Обоснование включения флуктуирующей асимметрии площади листа в систему промеров................................................................................................81

4.3 Определение состояния окружающей среды на основе модифицированного коэффициента флуктуирующей асимметрии листьев Betula pendula R...................................................................................................86

ГЛАВА 5. ВЫЯВЛЕНИЕ НАРУШЕНИЙ РАЗВИТИЯ BETULA PENDULA R. ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ НЕБЛАГОПРИЯТНЫХ ФАКТОРОВ СРЕДЫ...............90

5.1 Влияние природно-климатических характеристик окружающей среды на коэффициент флуктуирующей асимметрии Betula pendula R..........................91

5.2 Влияние некоторых компонентов атмосферного воздуха на коэффициент флуктуирующей асимметрии.............................................................................94

5.2.1 Оценка качества атмосферного воздуха.................................................94

5.2.2 Определение комплексного индекса загрязнения атмосферы и его связь с коэффициентом флуктуирующей асимметрии..................................97

5.2.3 Определение влияния компонентов атмосферного воздуха на показатель флуктуирующей асимметрии.......................................................99

5.3 Загрязнение снежного покрова и связь некоторых его компонентов с коэффициентом флуктуирующей асимметрии................................................100

5.3.1 Определение химического состава снежного покрова в г. Ханты-Мансийске.......................................................................................................102

5.3.2 Определение влияния компонентов снежного покрова на показатель

флуктуирующей асимметрии........................................................................108

5.4 Загрязнение почвы и её влияние на коэффициент флуктуирующей асимметрии........................................................................................................109

5.4.1 Механический и физико-химический состав почвенного покрова .... 110

5.4.2 Определение степени влияния компонентов почвы на коэффициент флуктуирующей асимметрии........................................................................112

5.5 Причины отклонений в развитии особей популяции Betula pendula R. на исследуемых пробных площадках...................................................................113

5.6 Выработанные рекомендации.....................................................................117

ВЫВОДЫ..............................................................................................................119

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ....................................................................................121

ПРИЛОЖЕНИЯ....................................................................................................142

ПРИЛОЖЕНИЕ А.............................................................................................142

ПРИЛОЖЕНИЕ Б..............................................................................................143

ПРИЛОЖЕНИЕ В.............................................................................................148

ПРИЛОЖЕНИЕ Г..............................................................................................151

ПРИЛОЖЕНИЕ Д.............................................................................................154

ПРИЛОЖЕНИЕ Е..............................................................................................161

ПРИЛОЖЕНИЕ Ж.............................................................................................162

ПРИЛОЖЕНИЕ 3..............................................................................................167

ПРИЛОЖЕНИЕ И.............................................................................................168

ВВЕДЕНИЕ

Изменения природной среды под влиянием урбанизации и хозяйственной деятельности человека приобрели глобальный характер. Такие преобразования с течением времени усиливаются, что привело к необходимости оценки негативных изменений состояния окружающей природной среды. При разработке мер охраны окружающей природной среды значительный интерес представляет изучение состояния, устойчивости и динамики популяций животных и растений, обитающих в этих условиях. В настоящее время оценка состояния среды особенно актуальна для городских территорий. Популяции древесных растений представляют собой центральные элементы растительных сообществ, поэтому исследование их характеристик более востребованы. При техногенном загрязнении поллютанты в большей степени оказывают влияние на фитоценозы, т.к. растения не могут избежать стрессового воздействия, и вынуждены адаптироваться к нему с помощью физиолого-биохимических и анатомо-морфологических перестроек организма. Это позволяет использовать растения в качестве биоиндикаторов загрязнения природной среды.

Применение физико-химических методов не всегда дает полное представление о состоянии популяций, особенно в зонах слабого и умеренного техногенного загрязнения. Это обусловлено нелинейной зависимостью реакций живых организмов от дозы загрязняющих веществ и различиям по степени их устойчивости к различным типам загрязнения. Физико-химические методы не учитывают нелинейные зависимости между воздействием фактора и реакцией организмов на данное воздействие, вследствие чего данный метод контроля является несколько ограниченным. Физико-химические анализы также не позволяют непосредственно наблюдать эффект от загрязнения.

На данный момент очень широко используются методы фитоиндикации

техногенных загрязнений. Одним из таких методов является определение

флуктуирующей асимметрии как интегрального показателя состояния

окружающей среды и одновременно показателя устойчивости развития

5

растений. Суть метода заключается в определении коэффициента флуктуирующей асимметрии, которая представляет собой макроскопические отклонения у билатеральных признаков организма в процессе развития в ответ на неблагоприятные условия окружающей среды. Явление флуктуирующей асимметрии также фигурирует под синонимом устойчивость (стабильность) развития. Благодаря проведению комплексных экологических исследований можно получить оценку экологического состояния природной среды в целом.

Использованная в работе методика по определению коэффициента флуктуирующей асимметрии листовой пластинки Betula pendula R. (далее -ФА) неоднократно применялась на практике, но при этом актуальность таких работ до сих пор высока, т.к. одни и те же условия среды могут быть допустимы для одного региона и могут оказаться неблагоприятным для другого в силу его природных особенностей и антропогенной нагрузки.

Цель и задачи исследований

Цель исследований: изучение изменчивости коэффициента флуктуирующей асимметрии у популяции Betula pendula R. для экологической оценки урбанизированных территорий.

Задачи исследований:

1. Провести оценку популяций Betula pendula R. по показателю устойчивости их развития на территории г. Ханты-Мансийска и за его пределами, а так же оценить степень загрязнения компонентов окружающей среды методами физико-химического анализа в местах отбора проб Betula pendula R.

2. Выявить пространственно-временную структуру распределения значений коэффициента флуктуирующей асимметрии.

3. Оценить влияние компонентов окружающей среды на состояние популяций Betula pendula R. Установить основные факторы, влияющие на показатель устойчивости развития.

4. Усовершенствовать методику определения отклонений развития листовой пластинки на примере Betula pendula R. Обосновать возможность использования предложенного средства контроля.

Научная новизна

Впервые охарактеризована многолетняя пространственно-временная динамика коэффициента флуктуирующей асимметрии на территории с разной степенью урбанизации. Выявлены особенности распределения коэффициента асимметрии при среднем уровне техногенного воздействия. На основании комплексных исследований разработан оригинальный вариант оценки показателя устойчивости развития растений с применением современных компьютерных технологий. Предложены и опробованы технические средства, которые могут реализовать данный метод. Разработан новый вариант бальной шкалы коэффициента флуктуирующей асимметрии, учитывающий характер распределения данного показателя и региональную специфику ХМАО - Югры.

Практическая значимость полученных результатов

Разработанный новый метод оценки устойчивости развития позволяет расширить возможности практического применения методов биоиндикации. Полученные результаты могут быть реализованы при планировании дальнейшего развития г. Ханты-Мансийска.

Составлены базы данных, которые могут быть использованы в качестве основы для мониторинга загрязнения территории г. Ханты-Мансийска, и любых других мониторинговых исследований Betula pendula R. в городских системах. Полученные базы данных в дальнейшем можно использовать для построения прогнозных карт, интегральных карт по нескольким параметрам, карт динамики биологических процессов.

Материалы могут быть использованы для разработки программ и планов по охране окружающей среды. Полученные результаты позволяют выработать рекомендации по созданию и реконструкции санитарно-защитных насаждений,

как на территории города Ханты-Мансийска, так и на любых других территориях, характеризующихся смешанным типом загрязнения.

Результаты исследований используются в процессе подготовки бакалавров и магистров по направлению «Экология и природопользование» при проведении лекционно-практических занятий в Югорском государственном университете в рамках четырёх дисциплин. Материалы исследования могут служить основой при подготовке курсовых и дипломных работ.

Основные положения диссертации, выносимые на защиту

1. Коэффициент флуктуирующей асимметрии листовой пластинки Betula pendula R. под влиянием антропогенных и естественных факторов окружающей среды характеризуется достоверными пространственными и межгодовыми различиями, а также не достоверными различиями в течение летнего периода.

2. Модифицированный коэффициент флуктуирующей асимметрии листовой пластинки способен определить степень отклонения от нормы развития растений и оценить комфортность условий окружающей среды для их произрастания.

Обоснованность и достоверность результатов исследований

Достоверность результатов исследования обеспечена обоснованностью методологических положений, соответствием методик исследований поставленным задачам, репрезентативностью анализируемых выборок, большим количеством собранного полевого материала за длительный период, применением методов математической статистики и средств современного программного обеспечения при обработке экспериментальных данных.

Личный вклад соискателя

Диссертация является оригинальной научной работой. Автором определены цель и задачи исследования, подготовлена программа полевых наблюдений и лабораторных опытов. Лично произведена закладка 124 пробных площадок; отобрано около 20 тыс. объектов биоиндикации, 45 проб снега, 96

проб воздуха, 9 проб почвы; осуществлена пробоподготовка; проведено свыше 204 тыс. измерений морфологических признаков, около 580 анализов по определению состава снега, около 130 анализов атмосферного воздуха и 42 анализа на содержание тяжёлых металлов в почве. Статистическая обработка всего представленного в работе материала также проведена автором самостоятельно.

Автор глубоко признателен научному руководителю д.б.н., профессору А. А. Лящеву за ценные консультации и помощь в написании диссертации, к.х.н., доценту В. В. Углеву за консультации в осуществлении лабораторных опытов по химическому анализу компонентов среды, а также д.б.н., доценту А. В. Захарченко за методические указания при отборе проб почвы.

Апробация результатов диссертации

Основные результаты исследований докладывались на: открытой окружной конференции в рамках акции «Спасти и сохранить» (г. Сургут, 2006 г.); II научно-практической конференции, посвященной памяти А. А. Дунина-Горкавича (г. Ханты-Мансийск, 2007 г.); VI международном симпозиуме «Контроль и реабилитация окружающей среды» (г. Томск, 2008 г.); III научно-практической конференции, посвященной памяти А. А. Дунина-Горкавича (г. Ханты-Мансийск, 2008 г.); II международной научно-практической конференции «Эколого-экономическая эффективность природопользования на современном этапе развития Западно-Сибирского региона» (г. Омск, 2008 г.); IV научно-практической конференции, посвященной памяти А. А. Дунина-Горкавича (г. Ханты-Мансийск, 2009 г.); 1-ой Городской конференции студентов, магистров и аспирантов «Осмысливая современность» (г. Ханты-Мансийск, 2010 г.); VI международной научно-практической конференции «Наука и современность» (г. Новосибирск, 2010 г.); конкурсе на звание молодой учёный года без степени «Дни науки ЮГУ - 2013» (г. Ханты-Мансийск, 2013 г.).

Опубликованность результатов

По теме диссертации опубликовано 12 работ, из них три - в журнале из Перечня ВАК РФ.

Структура и объем диссертации

Диссертация изложена на 171 листе, состоит из введения, пяти глав, выводов, списка использованной литературы из 212 наименований, в том числе 65 на иностранном языке и 10 приложений. Работа содержит 12 иллюстраций и 32 таблицы без учёта приложений.

ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА ОЦЕНКИ СРЕДЫ МЕТОДОМ ФЛУКТУИРУЮЩЕЙ АСИММЕТРИИ

1.1 Современные проблемы оценки качества окружающей среды

Хозяйственная деятельность человека с каждым годом усиливает антропогенное влияние на природную среду в целом, и в частности на экосистемы и их отдельные компоненты. В сложившейся ситуации большое значение для процесса восстановления имеет изучение влияния природных и антропогенных факторов на состояние всех живых организмов.

При внешней простоте задачи практическое решение оценки состояния окружающей среды крайне сложно. Уже сейчас существуют тысячи методов такой оценки (в основном, используется группа методов физико-химического анализа). Однако, несмотря на большой выбор методов оценки, часто используют методы биологической индикации, которые имеют некоторые преимущества. Существует биоиндикация, биотестирование, токсикология, используются биосенсоры и би