Бесплатный автореферат и диссертация по географии на тему

Экологические аспекты жизнедеятельности растений в условиях города

ВАК РФ 11.00.11, Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов

Текст научной работыДиссертация по географии, доктора биологических наук, Фролов, Алексей Константинович, Москва

К V / -

московский государственный университет им. м.в.ломоносова

биологический факультет

удк: 712.4 : 632.12 : 632.15 на правах рукописи

фролов х-7 алексей константдаотагч"^

экологические аспекты жизнедеятельности растений в условиях города

специальность (11.00.11. - охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов (по биологическим наукам)

диссертация на соискание ученой степени доктора биологических наук

москва 1998

СОДЕРЖАНИЕ

Стр.

Введение.................................................................................................7

ГЛАВА 1. Экологические факторы городской среды (обзор литературы)

1.1. Город как экосистема............................................................18

1.1.1. Климат города..............................................................21

1.1.2. Загрязнение городской среды.....................................28

1.1.3. Почвы городов............................................................35

1.1.4. Прочие факторы..........................................................40

1.2. Городская среда и растения..............................................43

ГЛАВА 2. Фотосинтетический аппарат растений как индикатор качества окружающей среды (объекты и методы наблюдений)...........53

2.1. Экологический профиль города.......................................54

2.2. Объекты исследований......................................................63

2.3. Методы исследования.......................................................76

2.3.1. Методика изучения структуры фотосинтетического аппарата растений.........................76

2.3.1.1. Измеряемые параметры........................................79

2.3.1.2. Расчетные характеристики...................................83

2.3.2. Методика оценки фотосинтеза и дыхания растений...................................................................86

2.3.2.1. Калибровка гальванического элемента...............87

2.3.2.2. Выполнение расчетов............................................88

2.3.3. Методика изучения водного режима растений.......90

2.3.4. Методика определения содержания токсичных веществ в фотосинтетическом аппарате растений...........90

2.3.5. Методика почвенных исследований........................98

2.3.6. Оценка состояния древесных растений и качества

зеленых насаждений............................................................99

2.3.7. Анализ изучаемых признаков.....................................103

Результаты исследований и их обсуждение ГЛАВА 3. Фотосинтетический аппарат растений...........................\06

3.1. Структура фотосинтетического аппарата городских растений.....................................................................................106

3.1.1. Деревья......................................................................106

3.1.1.1. Широколиственные породы..................................106

3.1.1.2. Мелколиственные породы.....................................121

3.1.1.3. Хвойные породы....................................................123

3.1.1.4. Сезонные и возрастные различия в строении фотосинтетического аппарата...........................................129

3.1.1.5. Фотосинтетический аппарат древесных растений городов разных климатических зон..................136

3.1.1.6. Фотосинтетический аппарат кроны городского, дерева (на примере липы мелколистной)...........................143

3.1.2. Кустарники................................................................157

3.1.3. Травы.........................................................................162

3.1.3.1. Газонные злаки.......................................................162

3.1.3.2. Виды рудеральной флоры......................................175

3.2. Фотосинтез, дыхание и водный режим растений

в условиях городской среды......................................................18D

3.2.1. Древесные породы.....................................................180

3.2.1.1. Фотосинтез и дыхание древесных пород

в городе и пригородном парке..........................................18Q

3.2.1.2. Сезонные особенности фотосинтеза и дыхания................................................................................184

3.2.2. Кустарники.................................................................191

3.2.3. Газонные травы..........................................................194

3.2.4. Водный режим древесных растений и кустарников в условиях города и пригородного

парка.....................................................................................199

ГЛАВА 4. Поглощение токсических веществ городскими растениями.............................................................................................205

4.1. Особенности накопления тяжелых металлов растениями города................................................................206

4.1.1. Сезонное накопление тяжелых металлов растениями............................................................................207

4.1.2. Накопление тяжелых металлов растениями разных районов города......................................................212

4.1.3. Видоспецифичность растений при поглощении тяжелых металлов................................................................215

4.1.4. Зависимость накопления тяжелых металлов растениями различных типов посадок..............................219

4.1.5. Влияние возраста растений на поглощение тяжелых металлов..................................................................223

4.2. Особенности аккумуляции свинца растениями

в разных экологических условиях города..........................224

4.2.1. Поступление свинца в растения...................................227

4.2.2. Особенности распределения свинца и других металлов в растениях города..............................................233

4.2.3. Накопление свинца растениями разных жизненных форм.....................................................................234

4.2.4. Содержание свинца в растениях и рельеф...................236

4.2.5. Накопление свинца растениями и их размещение.....237

относительно проезжей части автомагистралей..................

4.2.6. Влияние отмыва растительных проб на результаты анализа: распределение тяжелых металлов в различных частях кроны...............................251

4.3. Особенности миграции тяжелых металлов

в системе "растения-почва" в городе.................................253

4.4. Особенности аккумуляции хлоридов городскими растениями............................................................................268

4.5. Особенности миграции хлора в системе "почва-растение" в городских экосистемах...................................274

ГЛАВА 5. Состояние древесных растений и качеств® зеленых насаждений города................................................................................280

5.1. Внутрисезонная и разногодичная изменчивость состояния древесных растений...........................................................281

5.2. Зависимость состояния насаждений от породы, возраста и условий произрастания..................................288

5.3. Оценка качества насаждений.......................................300

5.4. Состояние зеленых насаждений территории Васильевского острова Санкт-Петербурга........................303

5.5. Характеристика зеленых насаждений Южно-Приморского парка.................................................321

5.6. Влияние почвенных условий на состояние насаждений...........................................................................332

5.6.1. Почво-грунты Южно-Приморского парка.............332

5.6.2. Общая агрохимическая характеристика почв Санкт-Петербурга...............................................................339

5.7. Характеристика широколиственных пород в озеленении Санкт-Петербурга 357

ГЛАВА 6. Основные пути изменения жизнедеятельности растений

в условиях городской среды..............................................364

ЗАКЛЮЧЕНИЕ......................................................................................412

ВЫВОДЫ................................................................................................422

ПРИЛОЖЕНИЯ......................................................................................

1. Список обследованных насаждений Санкт-Петербурга.........427

2. Списки обследованных адресов с характеристикой................

древесных насаждений...................................................................430

ПРАКТИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ.................................................435

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ......................................................................457

"Город - это символ борьбы человека с природой, символ его победы над ней. Это рукотворный организм , призванный защитить человека и создавать ему условия для работы."

( Jle Корбюзье. Из книги " Градостроительство")

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность проблемы. Урбанизация - одна из форм адаптации человека к окружающей природной среде. Рост городов, развитие промышленности и автотранспорта в них являются объективной реальностью современного мира. Общая численность жителей городов планеты возросла с 600 млн. человек в 1958 г. до 2 млрд. человек в 1986 г. при ежегодном приросте 2,5% (Braun, Jacobson, 1987). Подсчитано, что за последние 30 лет во всех городах мира было построено зданий больше, чем за всю предыдущую историю человечества. По образному выражению французского архитектора Ле Корбюзье, материалами для застройки городов служат солнце, пространство, растительность, сталь и бетон. Иными словами, город - результат целенаправленной деятельности человека - как экосистема представляет собой сочетание искусственной среды с элементами природы. Среда крупного города отличается своеобразием основных экологических факторов, а также специфическими техногенными воздействиями. Это дает основание экологам рассматривать город как особый тип экосистем. ( Hughes, 1974; Одум, 1975, 1986; Davis, Glick, 1978; Фролов, 1979, 1993; Dorney, McLellan, 1984; Мазинг, 1984; Lewinska, 1987; Куранов, 1989а,б и др. ). Бельгийский эколог П. Дювиньо называет ее экосистемой "Urbs", другие зарубежные экологи - "урбаносистемой".

В настоящее время вопрос оптимизации городской среды как среды обитания человека является крайне актуальным. Санитарно-гигиеническая комфортность городской среды представляет собой главный критерий ее оценки. В пределах города критерии комфортности условий жизни, нормального протекания жизненных функций человека считаются основными, критерии же производства и экономики по приоритетности уступают им.

Исходя из анализа тенденций изменения экологической ситуации в крупных городах, можно выделить три этапа мероприятий, направленных на улучшение качества городской среды. Первый этап связывается с повсеместным внедрением совершенных очистных сооружений и повышением технического уровня их обслуживания. О возможных временных границах окончания данного этапа позволяют судить следующие данные: из существующих в настоящее время в Санкт-Петербурге 39298 стационарных источников выбросов лишь 23,5 % оснащены газопылеулавливающими установками (Экологическая обстановка... , 1995). Второй этап основывается, главным образом, на внедрении широкой комплексной утилизации всех видов отходов крупных городов. Третий этап связан с повсеместным внедрением безотходных и малоотходных технологий. Элементы второго и третьего этапов имеются уже и в настоящее время, но они не являются пока определяющими. Перевод промышленности на новые технологии требует не только большого объема новых научных и технологических решений, но и огромных финансовых и временных затрат. К тому же, при огромной концентрации промышленности (в городах с численностью свыше 1 млн. чел.) нельзя добиться необходимой очистки выбросов даже при высокой технической эффективности. Остаточные валовые выбросы остаются слишком большими, а предприятия размещаются, как правило, на сравнительно небольшом расстоянии от жилья (Акулов, 1982).

Одним из эффективнейших средств улучшения среды города как по результатам, срокам осуществления, так и по стоимости, является озеленение.

Роль зеленых насаждений в снижении негативного воздействия окружающей среды заключается в их способности нивелировать неблагоприятные для человека факторы природного и техногенного происхождения. Растения (главным образом, древесные) очищают, увлажняют и обогащают кислородом воздух городов, снижают силу ветра и шума, изменяют радиационный и температурный режимы (Полтораус, 1966; Попова, 1969; Раунер, Чернавская, 1972; Кос-тюкевич, 1974; Лунц, 1974; Березкина, 1979; Meyer, 1978, 1981; Артамонов, 1986 и др.) В среднем, 1 га насаждений в течение одного часа поглощает 8 кг углекислого газа, т.е. такое количество, которое за это же время выдыхают 200 человек. Зеленые насаждения существенно снижают концентрации и таких вредных газов, признанных опасными загрязнителями атмосферного воздуха, как сернистый ангидрид - от 0,27 до 0,08 мг/м3 и сероводород - от 0,026 до 0,007 мг/м3 . Группы деревьев задерживают 21 - 86 % пыли и на 19 - 44 % снижают загрязнение воздушной среды вредными микроорганизмами (Мищенко, 1968). В целом же подсчитано, что растительность поглощает из воздуха и связывает 50-60% токсичных газов, в то время как атмосферная влага - 520 %, почва - 5-10 %, водоемы и животные - менее 5 % .

При определении стратегии и тактики улучшения городской среды многие экологи на первое место ставят усиление автотрофного блока городских экосистем, для чего рекомендуют увеличивать площадь зеленых насаждений в городах. При этом возникает своеобразный парадокс: именно в городах, где растения с их санитарно-гигиеническими и рекреационными функциями наиболее необходимы, наблюдаются наибольшие препятствия для их нормальной жизнедеятельности. В городе сокращается продолжительность жизни растений, снижается их продуктивность, повреждаются хвоя и листва. Так, по данным В.И. Ерохиной и Л.А. Макеевой, которые обследовали 300 объектов в 36 городах Российской Федерации, 30-40 % всех насаждений требуют реконструкции, т.е. не отвечают своему назначению (Ерохина, Макеева, 1979). Интен-

сивность отмирания растений такова, что в некоторых секторах зеленой зоны г. Москвы ежегодный объем санитарных рубок превышает годичный прирост в 3-4, а в отдельные неблагоприятные годы - в 10-12 раз. (Щербаков, Чередниченко, 1964; Щербаков и др., 1970; Якушина, Рябова, 1992).

Разнообразие рассматриваемой темы можно обсуждать двояко: как результат недостаточно оформленного до настоящего времени направления по экологии растений городов и, что, на наш взгляд, более правильно, как результат многообразия и сложности процессов и явлений, составляющих специфику городской среды обитания растений.

В изучении взаимоотношений городской среды и растений четко прослеживаются два направления. В работах первого растения рассматриваются как терморегуляторы и фитофильтры загрязнителей и шумов, оценивается их ландшафтная, санитарно-гигиеническая, рекреационная и эстетическая значимость. Этот круг вопросов изучен достаточно полно, и в настоящее время накоплен большой фактический материал, имеющий непосредственное отношение к оздоровлению среды обитания человека, удовлетворяющей его экологические потребности. Второе направление связано с изучением воздействий факторов городской среды на жизнедеятельность самих растений. Таких работ значительно меньше, впрочем, их достаточно, чтобы сделать вывод о неприменимости многих биологических и экологических характеристик, полученных в естественных условиях, к практике озеленения и о необходимости изучения растений непосредственно в городе.

Цель и основные задачи исследования. Основной целью данной работы являлось изучение и комплексная оценка различных аспектов жизнедеятельности растений как основного звена в экосистеме города.

В связи с поставленной целью в задачи исследования входили:

1. Комплексная оценка изменений в строении фотосинтетического аппарата на разных уровнях его организации (от целого растения до хлоропласта) у

растений разных жизненных форм, систематических и экологических групп при нарастании действия экологических факторов городской среды;

2. Исследование особенностей водного режима, фотосинтетической способности и дыхания растений в условиях города и в пригородных парках;

3. Изучение особенностей поглощения токсичных веществ городскими растениями;

4. Выявление видовой спецификации в реакциях исследованных видов на урбанизированную среду. Построение шкал устойчивости видов к городским условиям;

5. Оценка состояния древесных растений и качества зеленых насаждений города;

6. Проведение учета эффективной листовой поверхности основных широколиственных пород в насаждениях города, имеющей важное значение для нормирования площади зеленых насаждений;

7. Рассмотрение возможности индикации качества городской среды по состоянию растений.

То, что основное наше внимание уделялось фотосинтетическому аппарату растений, объясняется рядом причин. Во-первых, универсальность строения фотосинтетического аппарата разных систематических и экологических групп, разных жизненных форм позволяет успешно использовать его как удобную экологическую модель. Во-вторых, роль фотосинтетического аппарата в общей жизнедеятельности растений, их продуктивности чрезвычайно важна, изучение его позволяет оценить вклад в дальнейшие трофические уровни любой экосистемы. В-третьих, фотосинтетический аппарат растений - орган, чрезвычайно экологически зависимый, что позволяет успешно индицировать качество окружающей среды по изменению его параметров. И, наконец, поглощение растениями токсических веществ из окружающей среды идет посредством фотосинтетического аппарата, что позволяет при оценке способности к поглоще-

нию токсикантов растениями использовать его параметры. Безусловен и тот факт, что декоративные качества растений, их эстетическое восприятие во многом обусловлено состоянием листовой поверхности.

В данной работе городская среда рассматривается как единый комплекс экологических и техногенных факторов. Именно с этой позиции проводилась оценка основных изменений в растениях города. В отдельных случаях было изучено влияние на растения конкретных факторов: хлоридного засоления городских почв, интенсивности движения автотранспорта, обеспеченности городских почв элементами питания, влияния вредителей и т.п.

Защищаемые положения.

1. В экологической среде большого города с нарастанием степени урбанизации по профилю города у всех исследованных видов растений происходят изменения в