Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Эколого-биологические показатели хвойных пород деревьев в условиях аэротехногенного воздействия городской среды

ВАК РФ 03.02.01, Ботаника

Автореферат диссертации по теме "Эколого-биологические показатели хвойных пород деревьев в условиях аэротехногенного воздействия городской среды"

На правах рукописи

М

РЯБУХИНА МАРИЯ ВЛАДИМИРОВНА

ЭКОЛОГО-БИОЛОГИЧЕСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ ХВОЙНЫХ ПОРОД ДЕРЕВЬЕВ В УСЛОВИЯХ

АЭРОТЕХНОГЕННОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ ГОРОДСКОЙ СРЕДЫ (на примере г. Оренбурга)

Специальность 03.02.01-ботаника

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

2 8 НОЯ 2013

ОРЕНБУРГ-2013

005540171

Работа выполнена на кафедре ботаники и физиологии растений ФГБОУ ВПО Оренбургский государственный педагогический университет

Научный руководитель:

доктор биологических наук, профессор Рябииина Зинаида Николаевна

Официальные Кулагин Алексей Юрьевич

оппоненты доктор биологических наук, профессор, ФГБУН

Институт биологии Уфимского научного центра РАН, зав. лабораторией лесоведения

Суюндуков Ялиль Тухватович

доктор биологических наук, профессор, ГАНУ «Институт региональных исследований Республики Башкортостан», директор

Ведущая организация ФГБОУ ВПО Оренбургский государственный аграрный университет

Защита состоится « Э » декабря 2013 года в Ц°°часов на заседании диссертационного совета Д 212.180.02 при ФГБОУ ВПО «Оренбургский государственный педагогический университет» по адресу: 460844, Россия, г. Оренбург, ул. Советская, 19. Тел./факс (3532) 77-24-54.

E-mail: ibrae@ospu.esoo.ru, http://ospu.ru

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Оренбургский государственный педагогический университет».

Автореферат разослан «'В » ноября 2013 года

Ученый секретарь ' /JL

диссертационного совета ушинская Наталья Ивановна

О

Актуальность темы. Изучение приспособления растений к условиям городской среды и связанные с ними теоретические и прикладные общебиологические проблемы необычайно актуальны, так как в условиях города часто отмечается интенсификация промышленного производства, увеличение числа автотранспорта повышенный уровень загрязнения окружающей среды.

Абиотический прессинг приводит к ослаблению растительности, снижению продуктивности, поражению вредителями, болезнями, преждевременному старению и выпадению из культурных фитоценозов (Мозговая, 2008; Культиасов, 1982; Сергеева, 1971). В связи с этим чрезвычайно важное значение приобретает изучение комплексного воздействия урбанизированной среды на растительные сообщества (Рябинина и др., 2011). Поэтому одной из наиболее актуальных проблем является исследование защитно-адаптационных механизмов, общего жизненного состояния растений (Кулагин, 2010; Неверова, 2000), геоботанических параметров растительного сообщества в урбофитоценозах.

Исследование реакции растений на комплекс экологических факторов в частности на загрязнение атмосферы и изменение климата имеет большое значение не только для выявления степени угнетения отдельных видов и насаждений, но и для обоснования Г1ДК для отдельных ингредиентов, организации мониторинга, разработки тестов для общей оценки состояния атмосферы (Израэль и др., 1982; Еремин, 1991; Сергейчик и др., 1998). Изучение эколого-биологических особенностей древесных растений, в том числе хвойных, является составляющим звеном информационно-аналитического обеспечения при проведении мониторинга природной среды и растительного покрова

Цель и задачи исследования. Цель работы - изучение эколого-биологических и биохимических показателей хвойных пород деревьев в условиях аэротехногенного воздействия городской среды. Для реализации поставленной цели решались следующие задачи:

1. Изучение флоры района исследования и прилегающей территории;

2. Определение общего жизненного состояния хвойных пород деревьев, произрастающего в различных условиях воздушного загрязнения;

3. Изучение влияния загрязнения воздушного бассейна на накопление аскорбиновой кислоты в хвое исследованных видов растений в различных условиях произрастания;

4. Исследование накопления зеленых пигментов и каротиноидов в хвое, в зависимости от степени нарастания урбанизации среды;

5. Выбор критериев для оценки качества городской среды по эколого-биологическим показателям хвойных пород деревьев.

Научная новизна. Впервые изучено влияние аэротехногенного воздействия на состояние хвойных пород деревьев г. Оренбурга. Проведен комплексный анализ биологических и биохимических показателей хвойных пород деревьев с учетом их принадлежности к разным вариантам онтогенетического развития. Выявлены: наиболее информативные показатели жизненности хвойных деревьев; закономерности динамики уровня аскорбиновой кислоты и пигментов в хвое под влиянием климатических, сезонных (лето-осень) экологических факторов. Проведена оценка воздействия экологических факторов на общее жизненное состояние, биохимический состав, годовой прирост побега и хвои хвойных пород деревьев городской зоны.

Положения, выносимые на защиту.

1. Видоспецифичность комплекса эколого-биологических показателей хвойных пород деревьев определяет их жизненное состояние в условиях урбанизированной среды;

2. Загрязнение воздушного бассейна города Оренбурга стимулирует накопление пигментов, каротиноидов и аскорбиновой кислоты у исследованных видов;

3. Для проведения локального мониторинга урбанизированной среды возможно использование биохимических и физиологических показателей.

Практическая и научная значимость. Полученные данные могут использоваться для разработки вопросов касающихся адаптации и повышения устойчивости хвойных деревьев к комплексу экологических факторов, организации и проведения урбомониторинга, экологического картирования, организации оптимальной структуры, ухода и омоложения насаждений, решения задач по озеленению и оптимизации условий среды г. Оренбурга и других городов области.

Результаты исследований могут быть использованы в учебном процессе для студентов биологических специальностей при чтении спецкурсов «Экология растений», «Физиология растений», «Мониторинг окружающей среды», «Дендрология», а также при проведении занятий в школе, детском экологическом центре.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 14 работ, в том числе 12статей в журналах рекомендованных ВАК и приравненных к ним.

Апробация. Материалы диссертации представлялись и обсуждались на конференциях: V Всероссийской научно-практической конференции «Биоразнообразие и биоресурсы Урала и сопредельных территорий» (Оренбург, 2010); Международной научно-практической конференции молодых ученых (Москва, 2011); VI Международной научно-практической конференции молодых ученых «Экологический интеллект-2011» (Днепропетровск, 2011); VI Международной научно-практической конференции «Наука в современном мире» (Москва, 2011); Молодежном

инновационном форуме молодых ученых Приволжского федерального округа (Ульяновск, 2011), Международной молодежной конференции «Человек. Природа. Общество. Актуальные проблемы» (Воронеж, 2012); 2nd International Scientific Conference European Applied Sciences: modern approaches in scientific researches (Stuttgart, Germany, 2013); Baumgarten 1. Manipulations In Social Networks // II Science, Technology and Higher Education (Westwood, Canada, 2013).

Работа выполнялась в рамках соглашения №23-г на предоставление областного гранта в сфере научной и научно-технической деятельности «Исследования влияния загрязнения воздушного бассейна г. Оренбурга на эколого-биологические и биохимические показатели древесных растений» от 28.11.2010г.

Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, 6 глав, заключения, рекомендаций и выводов, включает 176 страниц, 53 таблицы, 75 рисунков и 6 приложений. Список литературы включает 309 наименований, из них 63 на иностранном языке.

Автор выражает искреннюю признательность научному руководителю д.б.н., профессору Рябининой З.Н. за руководство, поддержку, ценные советы и всестороннюю помощь при выполнении работы, а также сотрудникам кафедры ботаники и физиологии растений ОГПУ за моральную поддержку.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ ВВЕДЕНИЕ

Обоснована актуальность темы, изложены цель и задачи исследований, показана научная новизна и практическая значимость работы.

Глава 1 СОСТОЯНИЕ ИССЛЕДУЕМОГО ВОПРОСА

В главе проанализированы результаты исследований русских и зарубежных ученых (Андерсон, Тершоу, 1998; Amor, Iluigler, Johnson, Wainscoll, Delmcr, 1995; Aroca, Irigoyen, Sanchez-Diaz, 2001; Илькун, 1978; Николаевский, 1983; Сергейчик, 1984; Пастернак, Ворон, Мазепа, 1985) по вопросу исследования физиологических, анатомо-морфологических и цитогенных изменений хвойных пород деревьев.

Особое внимание уделено исследованиям пигментных систем (Falbel, Meehl, Staeheli, 1996; Сухоруков, 1957; Игнаева, Быков, 1969; Широбокова, 1972; Харчистова, 1981), изменению биометрических показателей, ритмов роста и развития при воздействии урбанизированной среды (Трунов, 2001; Уваров, 1996; Плюснина, 2002; Palowski, 2000; Сухарева, Лукина, 2004; Уваров, 1996; Ярмишко, 1996; Леман, 2001; Kozlov, Zvereva, Niemcla, 2001), факторам влияющим на газоустойчивость растений (Кулагин, 1980; Рожков, Соков, 1980; Шепятене, 1987; Николаевский, 1996; Коплан-Дикс, Алехова, 2002).

Глава 2 ХАРАКТЕРИСТИКА РАЙОНА РАБОТ, ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Во второй главе приведена общая характеристика Оренбургской области: географическое положение, флора, почвы, климат области, в том числе особенности природных условий города Оренбурга.

Объекты исследований. В качестве объектов исследований нами были выбраны три вида хвойных пород деревьев - Picea abies L., Larix sukaczewii Djil, Pinns sylvestris L. как наиболее распространенные представители хвойных и часто встречающиеся объекты зеленого строительства города.

Экологическая ситуация района исследования. Город Оренбург относится к высоко урбанизированным городам со значительным уровнем развития предприятий химической промышленности, автотранспорта. Характерной особенностью загрязнения среды обитания в городе является комплексное загрязнение воздуха, снега, почвы, водоемов во всех функциональных зонах соединениями азота, серы, органикой, сажей (Государственный доклад..., 2011, 2012). Характеристику степени загрязнения атмосферного воздуха г. Оренбурга, метеорологических условий в годы исследований проводили путем изучения официальных опубликованных материалов. Расчет комплексного индекса загрязнения атмосферы (ИЗА) для районов исследования проведен на основании официальных материалов Оренбургского центра по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды (ОЦГМС).

Воздействие отраслей экономики на окружающую среду. В промышленности Оренбурга преобладают газодобывающая и газоперерабатывающая отрасли, машиностроение и металлообработка. Также развиты предприятия химической, пищевой и легкой промышленности.

Основными источниками загрязнения атмосферы города являются автомобильный и железнодорожный транспорт, предприятия топливно-энергетического комплекса и машиностроения.

Районы исследования. Дзержинский район - находится в северной части города, заложено 5 площадей; Ленинский район находится в восточной и юго-восточной частях города, заложено 5 площадей; Промышленный район - западная часть города, заложено 12 площадей; Центральный район - центральная часть города, заложено 17 площадей; Поселок Ростоши - пригород Оренбурга в северо-западном направлении, при исследовании разделение на площади, в связи с особенностями расположения изучаемых видов, не проводилось.

Учетные площади охватывали большинство насаждений - Picea abies Z,., Larix sukaczewii Djil, Pinus sylvestris L. в городе. Всего было заложено 40 модельных площадей, 39 из которых расположены непосредственно в городе и одна площадь - п. Ростоши использовалась в

качестве контроля (рис. 1). Сведения о структуре и площадях объектов зеленого фонда получены из материалов генерального плана г. Оренбурга.

Рисунок 1 Месторасположение площадей исследования

Методы исследований. Исследования хвойных пород деревьев г. Оренбурга проводили в 2010-2012 гг. Обследовано более 3120 объектов зеленых насаждений, проведено около 2520 анализов на физиолого-биохимические показатели исследуемых видов которые представлены во всех изучаемых типах насаждений.

Отбор учетных растений проводили по 10 экземпляров каждого вида, для физиолого-биохимических исследований из них выбраны по 3 растения хорошего и удовлетворительного жизненного состояния (Родин, 1968; Гришина, Самойлова, 1971; Методические рекомендации..., 1981). Учетные растения представлены одновозрастными для каждого вида растениями (средневозрастное генеративное состояние - ц2 (Смирнова, Чистякова, Попадюк и др., 1990)).

В ходе работы использовались методы геоботанических обследований, сравнительно-описательный, статистический,

биометрический, проводилось определение общего жизненного состояния деревьев по методике В.А. Алексеева (1990), определение концентрации пигментов в хвое проводили методом определения оптической плотности спиртового раствора при соответствующих длинах волн (спектофотометр). Содержание аскорбиновой кислоты (АК) в хвое определяли по ГОСТ 24556-89.

Глава 3 ЗЕЛЕНЫЕ НАСАЖДЕНИЯ ГОРОДА ОРЕНБУРГА И ПРИЛЕГАЮЩИХ ТЕРРИТОРИЙ

Общая характеристика растительности. Растительность, произрастающая в черте города, характеризуется высокой степенью трансформации природных комплексов, неравномерным распределением, ограниченным присутствием древесных и кустарниковых пород, преобладанием искусственных посадок.

Селитебная часть города имеет очень мало зеленых насаждений общего пользования. Размещение их в составе застройки неравномерное -основная часть благоустроенных зеленых насаждений расположена главным образом в центральной части города. В целом, по городу зеленые устройства общего пользования занимают суммарную площадь - 131,73 га.

Организация посадок зеленых насаждений города Оренбурга складываться из трех основных элементов:

1) городские зеленые насаждения общего пользования (парки, сады, скверы и бульвары);

2) зеленые насаждения специального назначения (санитарно-защитные насаждения в промзонах и вдоль транспортных магистралей, озеленение жилых улиц и т.д.);

3) внеселитебные зеленые насаждения (лесопарковые насаждения и ветрозащитные полосы по периферии застройки городской черты, почвозащитные и прочие насаждения на землях, примыкающих к городу сельхозпредприятий).

Доминирующую функцию в зеленом строительстве города занимают лиственные породы, однако хвойные породы отличаются сохранением декоративности на протяжении всего года, проявляя при этом фитонцидную активность и высокие экологические качества.

Аннотированный список растений. При выполнении работы использовался экосистемный подход, учитывалось взаимовлияние сред, а также видов в фитоценозе, в связи с этим была изучена флора района исследования.

Основное число видов во флоре относится к покрытосеменным растениям, они составляют 98,02 % от общего числа видов, 73,09 % из них приходится на двудольные и 24,93 % - на однодольные растения.

Наиболее многочисленными семействами района исследования являются семейства Иохасеае, Роасеае, АъШааше, Вгаьзкасеае.

□ мпн'^юдоеые, моновидовые

□ лрочиг

Ш преобладзющщие Замошаидовые ¡3 прочие

Рисунок 2 Процент к общему числу Рисунок 3 Процент к общему числу видов в крупнейших семействах видов в крупнейших родах

Число видов в семействах варьируется от 1 до 38 (рис. 3). Во флоре отмечено 31 семейство содержащих по 1 роду, к ним относятся 54 вида, что составляет 16% всего видового состава, значительное число семейств с 1 родом указывает на относительное таксономическое разнообразие флоры исследуемого района (рис. 2).

Биоморфологическая и экологическая структура. Выявленная флора объединяет растения различных жизненных форм. Структура изученной флоры по экологическим группам растений, относительно условий увлажнения, разнообразна, ксерофиты составляют 53%, гигрофиты -17%, мезофиты-30% от общего числа видов.

Глава 4 ОЦЕНКА ОБЩЕГО ЖИЗНЕННОГО СОСТОЯНИЯ ХВОЙНЫХ ПОРОД ДЕРЕВЬЕВ В УСЛОВИЯХ АЭРОТЕХНОГЕННОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ

По результатам проведенных исследований общего жизненного состояния Larix sukaczewii Djil. установлено, что существенных различий в состоянии исследуемого вида по районам города не выявлено, однако насаждения Picea abies L. и Larix sukaczewii Djil. (табл. 1) в большинстве районов характеризуются более высокими показателями жизненного потенциала в сравнении с Pinus sylvestris L

Относительно низким жизненным потенциалом характеризуются деревья, произрастающие в Промышленном районе, а также древесные насаждения, расположенные в непосредственной близости автодорог, крупных автостоянок, промышленных предприятий (санитарно-защитная зона).

Значительная часть исследуемых видов на учетных площадках во всех районах города оценивается как ослабленные (табл. 2). Преобладающее число ослабленных деревьев расположено группами по 26 экземпляра.

Расстояние между деревьями на многих точках исследования составляет 1-2,5 метра, в таких насаждениях значительно снижена площадь питания деревьев.

Таблица 1

Жизненный потенциал 1мпх хикасгем'И ЩН

Район Количество деревьев, шт. Ьп,%

N ■11 п2 пЗ п4

н. Ростоши 64 52 9 2 3 1 0 92.42 90,00

Дзержинский р-н 117 81 33

Центральный р-н 141 101 34 4 2 89,72

Ленинский р-н Г, 8 137 82 1 1 8 83,70

Промышленный р-н 257 80 130 24 23 70,72

Всею 817 451 288 44 34 82,23

Примечание: 1п - (житенное состояние). %: /V- общее количество деревьев в посадках, включая сухостой; п1 - количество здоровых деревьев; п2 - количество ослабленных деревьев; пЗ - количество сильно ослабленных деревьев; п4 - количество усыхающих.

Таблица 2

Распределение модельных площадок по индексу повреждения древостоя

Жизненное состояние Индекс повреждении Количество площадок

1,иг1х \iikaczewii Р1сеа аЫеч Р1пи.\ чт/ггу/л/л

Здоровый древостой 0,00-0,10 9 5 5

Начальная стадия ослабления 0,11-0,19 9 10 8

Поврежденный древостой 0,20-0,49 2 5 10

Сильно поврежденный древостой 0,50-0,79 1 3 9

Разрушенный древостой 0,80-1,00 2

Всего площадок, шт. 21 23 34

Значительная часть исследуемых видов на учетных площадках во всех районах города оценивается как ослабленные (табл. 2). Преобладающее число ослабленных деревьев расположено группами по 26 экземпляра.

Расстояние между деревьями на многих точках исследования составляет 1-2,5 метра, в таких насаждениях значительно снижена площадь питания деревьев.

На всех площадках исследования отмечались изменения в ассимиляционном аппарате: хлорозы, некрозы (точечные, от основания хвоинки, вершинная), дефолиация (равномерная, от основания кроны, от ствола, периферийная; вершинная, верхней части кроны), опадение, усыхание, снижение продолжительности жизни хвои, отмирание ветвей. В ходе исследования было выявлено, что многие хвойные деревья находятся в начальной стадии угнетения, либо повреждены.

Большое количество насаждений Pinns sylvestris L. находится на стадии сильного ослабления. Индекс повреждения Larix sukaczewii Djil. равен 0,14, Picea abies ¿.-0,18, Pinus sylvestris L. - 0,20.

Биометрические особенности хвойных пород деревьев. С целью определения интенсивности роста побегов и хвои исследуемых видов были проведены биометрические исследования.

При сравнении результатов биометрических показателей по районам исследования с контролем отмечается, что скорость роста в контрольных условиях либо равна среднему значению по районам, либо его превышает (рис.4).

Механизмы, определяющие величину годового прироста, для исследуемых видов различны. В какой-то мере они предопределены генетически, но их реализация зависит от внешних условий. Величина годового прироста исследуемых видов варьирует по годам (рис.4), что еще раз подтверждает сложную взаимосвязь эндогенных механизмов и экологических условий роста.

8 2010

В 2012

Лиственница Контроль Среднее по районам

Рисунок 4 Прирост (см.) Larix sukaczewii Djil.

Глава 5 НАКОПЛЕНИЕ АСКОРБИНОВОЙ КИСЛОТЫ В ХВОЕ ИССЛЕДОВАННЫХ ПОРОД ДЕРЕВЬЕВ

Исследованиями установлено, что накопление и динамика изменения аскорбиновой кислоты (АК), как и другие физиологические показатели, являются видоспецифичными характеристиками. Динамика накопления АК у изученных видов сходная, но у Larix sukaczewii Djil.более высокие абсолютные показатели на протяжении всей вегетации, минимальный показатель АК отмечается в хвое Picea abies L. Выявленная динамика увеличения содержания АК с нарастанием степени антропогенной нагрузки внутри исследованных районов объясняется как защитная функция растений.

Уровень аскорбиновой кислоты в хвое Larix sukaczewii Djil. Анализ хвои Larix sukaczewii Djil. показал, что уровень АК в разных

районах города неодинаков. Максимальный уровень АК в 2010 - 20! 2 гг. в весенний период отмечается в Промышленном районе (481,47; 511,32; 516,62 мкг/г соответственно). Минимальный уровень АК в весенний и осенний периоды 2010 - 2012 гг. отмечается в п. Ростоши (рис. 5).

600,00 500.00 400,00 300,00 200,00 100,00 0,00

□ п. Росгоши ШДзержинсхий р-н ^Центральный р-н в Ленинский р-н ^Промышленный p-t

весна 1 осень весна осень j

2011 2012

Рисунок 5 Динамика уровня аскорбиновой кислоты (мкг/г) в хвое Larix sukaczewii Djil.

Уровень аскорбиновой кислоты в хвое Pinus sylvestris L. Анализ хвои Pinus sylvestris L. показал, что количественное содержание АК в хвое первого, второго, третьего года жизни в разных районах города и в разные года исследования неодинаков. Исследования хвои 1 года жизни в 2010 году показали, что минимальный уровень АК в весенний и осенний период зафиксирован в п. Ростоши и составил 456,73 и 423,47 мкг/г соответственно (рис. 6).

■ 2012 М 2011 В 2010

Рисунок 6 Динамика средних значений уровня аскорбиновой кислоты (мкг/г) Pinns sylvestris L.

Минимальные показатели в хвое 2-го и 3-го года жизни в аналогичный период времени года также зафиксированы в п. Ростоши.

Максимальный уровень AK в хвое 1-го-Зго года жизни в весенний и осенний период зафиксирован в Промышленном районе города.

Уровень АК в весеиний период 2012 года, в сравнении с аналогичным периодом 2010 года, увеличился на 4,6%, а в осенний период

- на 5,3%. Уровень АК 2010, в сравнении с 2011 годом, снижен в весенний период на 3,6%, а в осенний период на 4,2%.

Уровень аскорбиновой кислоты в хвое Picea abies L. Исследования хвои Picea abies L. показали сходную динамику накопления АК, в сравнении с Larix sukaczewii Djil и Pinus sylvestris L. Исследования хвои 1 года жизни в 2010 году показали, что минимальный уровень АК в весенний и осенний период зафиксирован в п. Ростоши и составил 426,17 и 356,91мкг/г соответственно. Минимальные показатели в хвое 2-го и 3-го года жизни в аналогичный период времени года также зафиксированы в п. Ростоши. Максимальный уровень АК в хвое 1-го-Зго года жизни в весенний и осенний период зафиксирован в Промышленном районе города (рис. 7).

Уровень АК в весенний период 2012 года, в сравнении с аналогичным периодом 2010 года, увеличился на 5,8%, а в осенний период

- на 7%. Уровень АК 2010, в сравнении с 2011 годом, снижен в весенний период на 4,7%, а в осенний период на 5,3% (рис. 7).

Сравнительный анализ средних значений уровня аскорбиновой кислоты в хвое исследуемых видов. Анализ полученных данных за 20102012 год отображает достоверные изменения уровня АК. У Pinns sylvestris L в весенний период года в хвое 1 года максимальное значение АК (5 14,72 мкг/г) отмечено в 2012г., минимальное (492,08 мкг/г) - в 2010г. Сходная динамика отмечается для хвои 2, 3 года жизни в весенний период и прослеживается осенью. По.:тученный результат объясняется экологическими и климатическими условиями в период исследования, так в мае 2010 года отмечено наименьшее количество осадков, сентябрь 2010 года характеризуется самыми высокими температурами, количество осадков при этом было минимальным. В мае 2012 года зафиксированы самые высокие температуры воздуха, на осенний период 2012 года оказали влияние климатические условия предыдущих месяцев.

Уровень АК в хвое Larix sukaczewii Djil, различен в зависимости от года исследования и сезона года. Минимальное значение исследуемого показателя в весенний период зафиксировано в 2010 г. на уровне 473, 27 мкг/г, максимальный - в 2012г. Аналогичная динамика прослеживается для осеннего периода.

Уровень АК с нарастанием антропогенной нагрузки увеличивается. Анализируя средние показатели изучаемого параметра, можно отметить, что исследуемые районы города образуют следующий ряд: п. Ростоши < Дзержинский район < Центральный район < Ленинский район < Промышленный район. В п. Ростоши уровень АК в хвое разных лет

значительно ниже, чем в остальных районах. Немаловажным фактором, определяющим представленный ряд, является удаленность исследуемых точек от очагов антропогенного воздействия, рельеф местности, тип пространственного расположения деревьев, сочетание видов в насаждениях.

2000 1800 1600 1400 120О 1000 800 600 400 200

О : . , ,

|хвоя 1 год 1хвоя2 год|х80Я Згид хооя1 год ¡хвоя? год(хаоя Згод;

весна ! осень

Рисунок 7 Динамика средних значений уровня аскорбиновой кислоты (мкг/г) Picea abies L.

В зависимости от возраста хвои уровень АК меняется, данная закономерность обусловлена физиологическими процессами, максимум АК отмечается в хвое 2 года, а минимум в хвое 3 года. В видовом отношении, минимальный уровень АК отмечен в хвое Picea abies L. (рис 6), а максимум - в хвое Larix sukaczewii Djil.

Глава 6 СРАВНИТЕЛЬНОЕ ИЗУЧЕНИЕ ПИГМЕНТНОГО КОМПЛЕКСА ХВОЙНЫХ ПОРОД ДЕРЕВЬЕВ

Нами изучался пигментный комплекс хвои первого, второго и третьего года жизни Picea abies L., Pinns sylvestris L. и хвоя с двухлетних побегов Larix sukaczewii Djil. Исследованиями установлено, что накопление и характер изменения пигментного фонда, как и другие физиологические показатели, являются видоспецифичными характеристиками.

Изученные виды характеризуются сходной сезонной динамикой пигментного комплекса, максимальное количество пигментов обнаружено в хвое 2 года жизни, минимальное в хвое 3 года жизни, в весенне-летний период количество пигментов заметно больше, чем в осенний период.

Отмеченная закономерность объясняется, тем, что количество пигментов с возрастом хвои существенно изменяется, в хвое 1 года формируется значительная часть фонда хлоропластов и почти все каротиноиды, остальное количество пигментов накапливается в весенне-летний период следующего года.

С нарастанием степени антропогенной нагрузки количество пигментов в хвое увеличивается. У Larix sukaczewii Djil. накопление

пигментного фонда в связи с листопадностью осуществляется более высокими темпами, чем у Picea abies L. и у Pinus sylvestris L. Она же отличается и более высоким количественным содержанием пигментов. Larix sukaczewii Djil. наиболее резистентна в условиях антропогенного загрязнения, вследствие чего более интенсивно накапливает зеленые и желтые пигменты. Минимальное количественное содержание пигментов отмечается в хвое, Pinns sylvestris L. среди изученных видов Pinus sylvestris L. наименее толерантна к условиям антропогенного воздействия.

Пигментный комплекс Larix sukaczewii Djil. В зависимости от времени года количественное содержание пигментов в хвое Larix sukaczewii Djil меняется. Максимальное количество пигментов отмечается в летний период. Среднее содержание в летних пробах составило 2,57 мг/г, а в осенних 1,83 мг/г (рис. 8).

—•—х(а) —х(Й) —ш— каротиноиды

Рисунок 8 Динамика пигментов (мг/г) в хвое Larix sukaczewii Djil. в весенний сезон года

У Larix sukaczewii Djil. накопление и деградация пигментного фонда в связи с листопадностью осуществляется более высокими темпами, чем у ели и сосны. Аналогичную закономерность выявили А. С. Щербатюк с коллегами (Углекислотный газообмен..., 1991; Загирова, 2002; Зелепухин, 1969), С. И. Розеиталь, Е. JI. Камм (Rosenthal, Camm, 1997). Факты большего накопления фотосинтетических пигментов свидетельствуют о широких адаптивных возможностях этого вида в неблагоприятных условиях среды и о стимуляции биосинтеза и накопления хлорофилла растениями при воздействии на них органогенных ксенобиотиков, которые выступают в роли биологически активных веществ.

Пигментный комплекс Pinus sylvestris L. В ходе проведенных исследований было установлено, что максимальное количество пигментов отмечается в хвое 2 года жизни, минимальное - в хвое 3 года жизни. Среднее содержание х(а) в хвое 1 года в весенний период составило 0,99 мг/г, х(в) 0,85 мг/г, в осенних пробах концентрация х(а) составила 0,86

мг/г, а х(в) - 0,66 мг/'г. В хвое 2 года в весенний период отмечаются максимальные значения х(а) -1,08 мг/г, х(в) -0,95 мг/г. В осенний период в хвое того же года концентрация пигментов значительно снижается и составляет: х(а) 0,97 мг/г, х(в) 0,75 мг/г. Минимальные значения отмечены в хвое 3 года жизни, в весенний период концентрация х(а) составила 0,85 мг/г, х(в) 0,77 мг/г, в осенний период: х(а) -0,76 мг/г, х(в) -0,61 мг/г. Изменение концентрации каротиноидов в хвое разных лет проходит аналогично изменению х(а) и х(в). (рис. 9).

Отмечены достоверные отличия содержания фотосинтетических пигментов однолетней, двухлетней и трехлетней хвои по сезонам года. Предположительно, в хвое, находящейся еще в почке, синтезируется определенное количество пигментов и, лишь спустя год, содержание их начинает возрастать. Когда хвое исполнялся два года концентрация пигментов в ней достигает максимума, в трехлетней хвое процессы ассимиляции пигментов практически прекращается и чаще всего в урбанизированных условиях хвоя опадает. На участках, расположенных в близи крупных дорог, опадение хвои наблюдается на втором году жизни.

Решающее значение в накоплении суммы зеленых пигментов имел х(а), которого в течение всего периода вегетации было больше по, сравнению с х(в). Соотношение пигментов ассимиляционного аппарата х(а)/х(в) в весенний период в хвое 1 года: максимум отмечен в Ленинском районе -1,32 мг/г, минимум в Промышленном районе -1,08 мг/г.

—*—х(а)

на ротиноиды

Рисунок 9 Динамика фотосинтетических пигментов (мг/г) в хвое Pinns sylvestris L в весенний сезон года

В хвое второго года за аналогичный период отмечен максимум в Ленинском районе- 1,27 мг/г, минимум в Промышленном районе- 1,03 мг/г, в Центральном и Дзержинском районах показатели аналогичны и составили 1,12 мг/г. Хвоя третьего года в весенний период характеризуется сходной динамикой, с максимумом в Ленинском районе -1,31 мг/г и минимумом в Промышленном и Центральном районах -1,01 мг/г, значения показателя х(а)/х(в) в Дзержинском районе немногим выше и составил 1,09 мг/г.

В осенний период распределение районов города относительно соотношения х(а)/х(в) противоположное. В хвое первого года максимум

сt et et et =1 ч. ч: et et et et et et et

о О о о о о 2 2 о О о О о 2 2

о; а к К а а ГС ГС ГО ГС к ГС <х

о О о о X о о со X о о о а X о о ей X X о а о 8

П. 5ОСТОШИ Дзержинский р-н Центральный р-н Ленинский р-н Промышленный

р-н

отмечен в Промышленном 1,59 мг/г и Ленинском 1,43мг/г районах, минимум в Дзержинском -1,11мг/г и Центральном 1,14 мг/г районах.

В хвое второго года за аналогичный период максимум отмечен также в Промышленном (1,54 мг/г) районе, а минимум в Центральном -1,08 мг/г, остальные районы характеризуются близкими значениями.

В хвое третьего года отмечен минимум в Центральном районе - 0,99 мг/г, а максимум в Промышленном и Ленинском районах.

Пигментный комплекс Picea abies L. Исследование хвои Picea abies L. на предмет содержания фотосиитезирующих пигментов определило зависимость хлорофилла (а), (в) и каротиноидов от возраста хвои и сезона года.

В зависимости от увеличения степени антропогенной нагрузки районов исследования, количественное содержание пигментов в хвое разных лет меняется.

__ -------

■О (и м

_

—

et et et et et et et et et et

О О о о о о о 2 2

,4 ГЛ т-1 fN ГО <н ÍNJ И го rsj m

О сс о СС О о; О О а; О IX О О а: о а; о о о О

X m X CD X х X X X X X X X

П. Ростоши Дзержинский р-н Центральный р-н Ленинский р-н Промышленный р-н

х(а)+*(6) сумма пигментов —гхл./кзротин

Рисунок 10 Пигменты, мг/г, сырого вещества Ркеа abi.es /..в осенний период

Соотношение суммы хлорофиллов к каротиноидам в весенний период в хвое I года составило максимальное значение в п. Ростоши-4,65 мг/г, минимальное в Дзержинском районе-3,72 мг/г. В хвое 2 года максимальное значение в п. Ростоши-4,04 мг/г, в остальных районах показатели близки, их числовое значение меняется от 3,83 мг/г до 3,94 мг/г. (рис. 10).

Обобщение результатов исследования фотосиитезирующих пигментов. В ходе проведения исследований было установлено, что условия городской среды значительно не меняют характер формирования и деградации пигментного фонда, то есть динамику пигментов ассимиляционного аппарата, что утверждение подтверждается работой A.B. Филипповой и Л.О. Петункиной (2004). В динамике накопления хлорофиллов (в) в хвое первого года жизни Picea abies L. и Pinns sylvestris L. в условиях г. Оренбурга отмечен максимум, приходящийся на конец весны - начало лета. Аналогичные результаты получены Ю. Л. Цельникер

с коллегами (Рост и газообмен...,1993), Э. В. Ходасевич (1982), К. Биллоу, П. Мэтсоном, Б. Джодером (Billow, Matson, Yodcr, 1994).

С увеличением степени загрязнения в хлоропластах хвои Pinus sylvestris L. происходит снижение общего количества хлорофиллов и каротиноидов. Величина отношения суммы зеленых пигментов к каротиноидам указывает на лабильность пигментного комплекса в конкретных условиях существования. Хвойные растения города характеризуются довольно высокими значениями этого показателя.

Сравнивая результаты исследования 2010-2012 годов, можно отметить для всех изученных видов увеличение содержания х(а) в 2,5-3 раза, х(в) в 1,5-2 раза, каротиноидов 1,5-2,5 раза. Исследования показали, что в наибольшей степени растения угнетены в Промышленном районе, велика доля ослабленных деревьев в Ленинском и Центральном районах, в наименьшей степени исследованные виды угнетены в п. Ростоши, насаждения в Дзержинском районе занимают промежуточное значение.

Корреляционный анализ показал, что наибольшее количество корреляционных связей отмечено в период активной вегетации, когда большинство процессов идет с максимальной скоростью - весной. Осенью корреляционные связи ослабевают, что связано со снижением интенсивности физиологических процессов и подготовкой растений к зимнему покою. Максимальное количество корреляционных связей выявлено у Larix sukaczewii Djil . Из них наиболее значимы следующие взаимозависимости: содержание хлорофиллов (а) и (в) (г = 0,46), каротиноидов (г = 0,38), суммы пигментов (г = - 0,63) и содержания аскорбиновой кислоты в хвое, содержания аскорбиновой кислоты и индекса жизненности (г = - 0,98), содержания хлорофиллов и каротиноидов (г = 0,79), суммы хлорофиллов и аскорбиновой кислоты (г = 0,87).

Picea abies L. характеризовалась наличием следующих корреляционных связей: содержание хлорофиллов (а) и (в) (г - - 0,42), каротиноидов (г = 0,40), суммы пигментов (г = 0,45) и содержания аскорбиновой кислоты в хвое, содержания аскорбиновой кислоты и индекса жизненности (г = - 0,34), содержания хлорофиллов и каротиноидов (г = -0,84), суммы хлорофиллов и аскорбиновой кислоты (г = 0,79).

Pinns sylvestris L. характеризовалась наличием следующих корреляционных связей: содержание хлорофиллов (а) и (в) (г - - 0,39), каротиноидов (г = 0,37), суммы пигментов (г = - 0,53) и содержания аскорбиновой кислоты в хвое, содержания аскорбиновой кислоты и индекса жизненности (г - 0,71), содержания хлорофиллов и каротиноидов (г = 0,78), суммы хлорофиллов и аскорбиновой кислоты (г = - 0,91).

РЕКОМЕНДАЦИИ

Исследование эколого-биологических и биохимических показателей хвойных деревьев в г. Оренбурге имеет ряд особенностей заключающихся в следующих факторах: резко континентальный климат; низкая влажность воздуха в летнее время; высокий уровень загрязнения

приземного слоя воздуха; разнообразие источников загрязнения; неустойчивая роза ветров и близкое расположение разных источников загрязнения; дефляция почв, минимальный уровень снегового покрова в зонах высокого атмосферного загрязнения (вывоз снега, выдувание, испарение).

Для увеличения устойчивости насаждений необходимо выполнение системы мероприятий:

1 .Мониторинговые исследования климата, почвы, биологических и биохимических параметров растений для контроля, за токсикантами и возможности обеспечения превентивного ухода за насаждением.

2. Подбор устойчивого ассортимента видов. Устойчивостью к широкому спектру аэротехногенного воздействия имеет ограниченное число видов. На газоустойчивость значительное влияние накладывают климатические, орографические, эдафические факторы. Поэтому использовать рекомендуемый для других районов ассортимент некорректно.

3. Разработка программы но омоложению насаждений, организация структуры насаждений, которая позволяет осуществлять замену стареющих экземпляров с подбором оптимального возраста посадочного материала.

4. Организация оптимальной структуры насаждения. Значительное влияние на концентрацию адсорбированных веществ хвоей оказывает пространственное местоположение дерева в насаждениях. При этом чрезмерно высокая густота насаждений приводит к застою загрязненного воздуха, повышает конкурентные отношения, что приводит к общему ослаблению и снижению газоустойчивости вида.

5. Уход. В условиях города становится необходимым регулярный полив, дождевание крон, применения удобрений и нейтрализаторов. В качестве дополнительных мероприятий на территориях с высоким уровнем загрязнения окружающей среды необходимо организовать: уборку снега перед таянием, регулярную замену верхнего слоя почвы, уборку и вывозку листьев.

6. Организация эффективных санитарно-защитных зон вокруг промышленных предприятий, ТЭЦ с целью ограничения распространения вредных выбросов на зеленые насаждения внутри города и высокочувствительные к хроническому загрязнению хвойные лесополосы.

Комплексный учет вышеперечисленных мероприятий позволит ООО «Зелентрест», МКП «Благоустройство и озеленение», «Управление по охране окружающей среды и экологии», «Отдел охраны окружающей среды», «Отдел экологии» города, создать систему устойчивого озеленения в условиях высокого атмосферного загрязнения, характерных для ряда районов г. Оренбурга.

выводы

Проведенные исследования влияния аэротехногенного загрязнения города Оренбурга на древесные растения: Picea ahies, Larix sukaczewii, Pinus sylvestris позволяют сделать следующие основные выводы:

1. Флора города Оренбурга и прилегающих территорий насчитывает в своем составе 58 семейств, 192 родов, 353 вида, основное число видов во флоре относится к покрытосеменным растениям, они составляют 98,02 % от общего числа видов, 73,09 % из них приходится на двудольные и 24,93% на однодольные растения.

2. На обследованной территории г. Оренбурга среди изученных видов более высокая жизненность характерна в большей степени для лиственницы и в меньшей для сосны, показатель жизненности ели приближен к показателю лиственницы.

3. Изменение в содержании аскорбиновой кислоты определяются видовой принадлежностью, уровнем аэротехногенного загрязнения, сезоном года отбора проб, возрастом хвои, максимальный уровень отмечается в хвое 2 года. Содержание аскорбиновой кислоты у ели меняется от 4,7до 15,3%, у сосны от 3,6 до 14,7%, у лиственницы от 3,5 до 7,8%.

4. Сильное влияние на количество хлорофилла и каротиноидов оказывает уровень аэротехногенного загрязнения, пространственное местоположение дерева в насаждениях, а также возраст хвои. При этом количество хлорофилла (а) и каротиноидов меняется в среднем у ели от 37 до 58%, у сосны от 32 до 74%, у лиственницы от 20 до 53%. Концентрация хлорофилла (в) в среднем меняется у ели от 22 до 54%, у сосны от 19 до 73%, у лиственницы от 17 до 45%.

5. Устойчивость изученных видов древесных пород к загрязнению воздушной среды снижается в ряду: лиственница - ель - сосна. Для осуществления локального мониторинга целесообразно применение следующих показателей: индекса жизненности, уровень содержания аскорбиновой кислоты, накопление каротиноидов и суммы пигментов, наиболее полно отражающих состояние растений.

6 Ранжирование районов города по изученным параметрам показало, что в наибольшей степени загрязнен Промышленный район, в равной степени Ленинский и Центральный районы, наименее загрязнен Дзержинский район. Контрольный участок отличается лучшими экологическими условиями, в сравнение с Дзержинским районом.

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК России:

1. Рябухина М.В. Вариация реакции фитостромы на антропогенное воздействие / З.Н. Рябинина, Г.С. Маханова, М.В. Рябухина // Известия ОГАУ Материалы V Всероссийской научно-практической конференции

«Биоразнообразие и биоресурсы Урала и сопредельных территорий». -Оренбург, 2010.-№3.-С.224-226

2. Рябухина М.В. Экосистемный подход как основной принцип при оценке экологических проблем регионального и глобального уровней / З.Н. Рябинина, Б.М. Исабаев, М.В. Рябухина // Известия ОГАУ Теоретический и научно-практический журнал. Оренбург, 2011.-№2.- С.21 7-218

3. Рябухина М.В. Сравнительная характеристика пигментных систем в зависимости от степени нарастания урбанизации среды (на примере г. Оренбурга) / М.В. Рябухина // Вестник ОГУ Теоретический и научно-практический журнал. Оренбург, 2011 .-№.- С. 199 - 201

4. Рябухина М.В. Содержание аскорбиновой кислоты -информативный показатель мониторинга окружающей среды крупных промышленных центров (на примере г. Оренбурга) / М.В. Рябухина // Известия ОГАУ Теоретический и научно-практический журнал. Оренбург, 2011 .-№2.- С.231-234

5. Рябухина М.В. Мониторинг природной среды методом биоиндикации сосны обыкновенной в зоне антропогенного за1рязнения города Оренбурга / М.В. Рябухина, И.Н. Брежнева // Экология урбанизированных территорий Теоретический и научно-практический журнал. М.: 2011 .-№3,- С.70-76

Публикации в сборниках и материалах международных конференций:

6. Рябухина М.В. Биологические особенности древесных растений в зависимости от степени загрязнения воздушного бассейна (на примере г. Оренбурга) / М.В. Рябухина // Материалы международной научно-практической конференции молодых ученых. М.: 2011. С.24-27

7. Рябухина М.В. Эколого-биологическая характеристика растений в условиях городской среды (на примере г. Оренбурга) / М.В. Рябухина // Материалы Международной VI научно-практической конференции молодых ученых «Экологический интеллект-2011». Днепропетровск, 2011. -С. 89-91

8. Рябухина М.В. Современная экологическая обстановка в районах антропогенного воздействия и сс влияние на формирование биологического разнообразия / Б.М. Исабаев, М.В. Рябухина, З.Н. Рябинина //Мат. Международной VI научно-практической конференции «Наука в современном мире». М.:,2011. -С. 14-20

9. Рябухина М.В. Фитодиагностика качества городской среды /С.Г. Ковнир, М.В. Рябухина // Материалы международной молодежной конференции в рамках фестиваля науки «Человек. Природа. Общество. Актуальные проблемы» Воронеж, 2012. — С.289-291

10. Рябухина М.В. Пигментный состав ели колючей (Picea pungens engelm) в условиях урбанизированной среды (на примере г. Оренбурга) / М.В. Рябухина // Материалы международной молодежной конференции в

рамках фестиваля науки «Человек. Природа. Общество. Актуальные проблемы» Воронеж, 2012. -С.314-316

11. Rjabuchina М. W. Die ekologo-biologischen Besonderheiten der Pflanzen der Kosmopoliten des Gebietes Orenburg / A. A. Kotschukowa, M. W. Rjabuchina, S. N. Rjabinina, A. N. Sankow // 2nd International Scientific Conference «European Applied Sciences: modern approaches in scientific researches» Stuttgart, Germany 2013.- C.20-23

12. Ryabuhina M.V. Influence of climatic and ecological factors on biological parameters of plants / M.V. Ryabuhina., A.A. Kochukova, Z.N. Ryabinina, A.N. Sankov // materials of the international research and practice conference «science, technology and higher education» Westv.ood, Canada 2012,-C. 54-59

13.Рябухина M.B. Газоустойчивость древесных растений в пределах городской черты на примере сосны обыкновенной (Pinus Sylvestris L.) / M.B. Рябухина, И.Н. Брежнева // Труды Института биоресурсов и прикладной экологии.- Оренбург: Изд-во ОГПУ, 2009, С.30-35.

14. Рябухина М.В. Методический подход к исследованию реакции фитостромы на аэротехногенное воздействие при строительстве скважин / М.В. Рябухина // Материалы научно-практической конференции «Наука и образование: исследования молодых ученых: сборник статей аспирантов ОГПУ». - Оренбург, 2010,- С.45-47

Отзывы на автореферат просим направлять в двух экземплярах с заверенными подписями по адресу: 460844, Россия, г. Оренбург, ул. Советская, 19., Ученому секретарю диссертационного совета Н.И. Мушинской. Тел./факс (3532) 77-24-54. К-таН: ibrae@ospu.esoo.ru

Подписано в печать 30.10.I3.r- Формат 60x84/16. Усл. печ. л. 1,2 Тираж 100 экз. Заказ 135 ФГ'ЬОУ ВПО «Оренбургский государственный педагогический университет» 460014, г. Оренбург, ул. Советская 19.

Текст научной работыДиссертация по биологии, кандидата биологических наук, Рябухина, Мария Владимировна, Оренбург

Министерство образования и науки Российской Федерации ФГБОУ ВПО «Оренбургский государственный педагогический университет»

_кафедра ботаники и физиологии растений_

На правах рукописи

04201453026 О

РЯБУХИ НА МАРИЯ ВЛАДИМИРОВНА

ЭКОЛОГО-БИОЛОГИЧЕСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ ХВОЙНЫХ ПОРОД ДЕРЕВЬЕВ В УСЛОВИЯХ АЭРОТЕХНОГЕННОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ ГОРОДСКОЙ СРЕДЫ (на примере г. Оренбурга)

Специальность 03.02.01 - ботаника

диссертация на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Научный руководитель:

доктор биологических наук, профессор

Зинаида Николаевна Рябинина

Оренбург - 2013

Оглавление

ВВЕДЕНИЕ 3

Глава 1 СОСТОЯНИЕ ИССЛЕДУЕМОГО ВОПРОСА 8

1.1 Физиологические, анатомо-морфологические и цитогенные 10 изменения хвойных деревьев.

1.2 Характеристика пигментных систем и интенсивность фотосинтеза 15

1.3 Изменение биометрических показателей, ритмов роста и развития 17

1.4 Факторы, влияющие на газоустойчивость растений 19

1.5 Поражения, стимулирующее действие токсических соединений. 24 Устойчивость и адаптация растений

1.6 Общая характеристика хвойных растений 3 5

Глава 2 ХАРАКТЕРИСТИКА РАЙОНА РАБОТ, ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ 41 ИССЛЕДОВАНИЯ

2.1 Общая характеристика Оренбургской области 41

2.2 Особенности природных условий г. Оренбурга 44

2.3 Обзор погодных условий г. Оренбурга в период исследований 49

2.4 Экологическая ситуация района исследования 58

2.5 Воздействие отраслей экономики на окружающую среду 68

2.6 Объекты исследований 71

2.7 Методы исследований 75

Глава 3 ЗЕЛЕНЫЕ НАСАЖДЕНИЯ ГОРОДА ОРЕНБУРГА И 83 ПРИЛЕГАЮЩИХ ТЕРРИТОРИЙ

3.1 Общая характеристика растительности 83

3.2 Аннотированный список растений 86

3.3 Систематическая структура 104

3.4 Биоморфологическая и экологическая структура 108

Глава 4 ОЦЕНКА ОБЩЕГО ЖИЗНЕННОГО СОСТОЯНИЯ ХВОЙНЫХ 112 ПОРОД ДЕРЕВЬЕВ В УСЛОВИЯХ АЭРОТЕХНОГЕННОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ

4.1 Жизненное состояние хвойных пород деревьев в зависимости от 113 степени аэротехногенного воздействия

4.2 Биометрические особенности хвойных пород деревьев 132

Глава 5 НАКОПЛЕНИЕ АСКОРБИНОВОЙ КИСЛОТЫ В ХВОЕ 136 ИССЛЕДОВАННЫХ ПОРОД ДЕРЕВЬЕВ

5.1 Уровень аскорбиновой кислоты в хвое Larix sukaczewii Djil 138

5.2 Уровень аскорбиновой кислоты в хвое Pinns sylvestris L. 139

5.3 Уровень аскорбиновой кислоты в хвое Picea abies L. 143

5.4 Сравнительный анализ средних значений уровня аскорбиновой 147 кислоты в хвое изученных видов

Глава 6 СРАВНИТЕЛЬНОЕ ИЗУЧЕНИЕ ПИГМЕНТНОГО 151 КОМПЛЕКСА ХВОЙНЫХ ПОРОД ДЕРЕВЬЕВ

6.1 Пигментный комплекс Larix sukaczewii Djil 154

6.2 Пигментный комплекс Pinns sylvestris L. 157

6.3 Пигментный комплекс Picea abies L. 162

6.4 Обобщение результатов исследования фотосинтетических пигментов 165

6.5 Корреляционный анализ 169 РЕКОМЕНДАЦИИ 172 ВЫВОДЫ 175 Библиографический список 177 ПРИЛОЖЕНИЯ

ВВЕДЕНИЕ

Изучение приспособления растений к условиям городской среды и связанные с ними теоретические и прикладные общебиологические проблемы необычайно актуальны, так как в условиях города часто отмечается интенсификация промышленного производства, увеличение числа автотранспорта повышенный уровень загрязнения окружающей среды.

Абиотический прессинг приводит к ослаблению растительности, снижению продуктивности, поражению вредителями, болезнями, преждевременному старению и выпадению из культурных фитоценозов (Мозговая, 2008; Культиасов, 1982; Сергеева, 1971). В связи с этим чрезвычайно важное значение приобретает изучение комплексного воздействия урбанизированной среды на растительные сообщества (Рябинина и др., 2011). Поэтому одной из наиболее актуальных проблем является исследование защитно-адаптационных механизмов, общего жизненного состояния растений (Кулагин, 2010; Неверова, 2000), геоботанических параметров растительного сообщества в урбофитоценозах.

Исследование реакции растений на комплекс экологических факторов в частности на загрязнение атмосферы и изменение климата имеет большое значение не только для выявления степени угнетения отдельных видов и насаждений, но и для обоснования ПДК для отдельных ингредиентов, организации мониторинга, разработки тестов для общей оценки состояния атмосферы (Израэль и др., 1982; Еремин, 1991; Сергейчик и др., 1998). Изучение эколого-биологических особенностей древесных растений, в том числе хвойных, является составляющим звеном информационно-аналитического обеспечения при проведении мониторинга природной среды и растительного покрова

Цель и задачи исследования. Цель работы - изучение эколого-биологических и биохимических показателей хвойных пород деревьев в

условиях аэротехногенного воздействия городской среды. Для реализации поставленной цели решались следующие задачи:

• Изучение флоры района исследования и прилегающей территории;

• Определение общего жизненного состояния хвойных пород деревьев, произрастающего в различных условиях воздушного загрязнения;

• Изучение влияния загрязнения воздушного бассейна на накопление аскорбиновой кислоты в хвое исследованных видов растений в различных условиях произрастания;

• Исследование накопления зеленых пигментов и каротиноидов в хвое, в зависимости от степени нарастания урбанизации среды;

• Выбор критериев для оценки качества городской среды по эколого-биологическим показателям хвойных пород деревьев.

Изучение эколого-биологических особенностей древесных растений, в том числе хвойных, является составляющим звеном информационно-аналитического обеспечения.

Комплексный анализ эколого-биологических показателей хвойных пород деревьев в свете их принадлежности к разным вариантам онтогенетического развития (лиственница - летнезеленый вид, сбрасывающий листву каждый год; сосна, ель - зимнезеленый вид, сохраняющий листву в течение нескольких вегетационных сезонов) является важным звеном изучения устойчивости хвойных к действию неблагоприятных факторов среды.

Изучение биохимических, фенологических аспектов, а также изучение влияния комплекса экологических факторов на некоторые эколого-биологические показатели хвойных пород деревьев в условиях г. Оренбурга необходимо для оценки возможности использования ели обыкновенной (Picea abies (L.) Н. Karst.), лиственницы Сукачева (Larix sukaczewii Djil), сосны обыкновенной (Pinns sylvestris L.) в локальном

мониторинге, прогноза развития растений и их приспособленности к условиям существования.

Хвойные породы деревьев, обладая высокой чувствительностью к промышленным поллютантам, могут служить моделями для изучения процессов, происходящих под влиянием условий городской среды, и использоваться в качестве тест-объектов для оценки ее состояния (Кирпичникова, Шавнин, Кривошеева, 1995; Петункина и др., 1997; Петункина. Филиппова, Степанова, 2002, 2003; Дегтярева, 2003; Кухта, 2003).

Наиболее перспективным в плане поиска новых методических подходов и тест-систем может быть использование не только эколого-биологических, но и физиолого-биохимических методов анализа древесных растений, особенно касающихся содержания физиологически активных соединений, таких как аскорбиновая кислота, которая обладает разносторонним действием на физиологические процессы, участвуя в клеточном иммунитете, обуславливающем устойчивость растений к неблагоприятным условиям окружающей среды (Чупахина,1997).

Интерес к изучению хвойных пород деревьев возрастает в связи с расширением их ассортимента в озеленении.

Научная новизна. Впервые изучено влияние аэротехногенного воздействия на состояние хвойных пород деревьев г. Оренбурга. Проведен комплексный анализ биологических и биохимических показателей хвойных пород деревьев с учетом их принадлежности к разным вариантам онтогенетического развития. Выявлены: наиболее информативные показатели жизненности хвойных деревьев; закономерности динамики уровня аскорбиновой кислоты и пигментов в хвое под влиянием климатических, сезонных (лето-осень) экологических факторов. Проведена оценка воздействия экологических факторов на общее жизненное состояние, биохимический состав, годовой прирост побега и хвои хвойных пород деревьев городской зоны.

Положения, выносимые на защиту.

1. Видоспецифичность комплекса эколого-биологических показателей хвойных пород деревьев определяет их жизненное состояние в условиях урбанизированной среды;

2. Загрязнение воздушного бассейна города Оренбурга стимулирует накопление пигментов, каротиноидов и аскорбиновой кислоты у исследованных видов;

3. Для проведения локального мониторинга урбанизированной среды возможно использование биохимических и физиологических показателей.

Практическая и научная значимость. Полученные данные могут использоваться для разработки вопросов касающихся адаптации и повышения устойчивости хвойных деревьев к комплексу экологических факторов, организации и проведения урбомониторинга, экологического картирования, организации оптимальной структуры, ухода и омоложения насаждений, решения задач по озеленению и оптимизации условий среды г. Оренбурга и других городов области.

Результаты исследований могут быть использованы в учебном процессе для студентов биологических специальностей при чтении спецкурсов «Экология растений», «Физиология растений», «Мониторинг окружающей среды», «Дендрология», а также при проведении занятий в школе, детском экологическом центре.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 14 работ, в том числе 12статей в журналах рекомендованных ВАК и приравненных к ним.

Апробация. Материалы диссертации представлялись и обсуждались на конференциях: V Всероссийской научно-практической конференции «Биоразнообразие и биоресурсы Урала и сопредельных территорий» (Оренбург, 2010); Международной научно-практической конференции молодых ученых (Москва, 2011); VI Международной научно-

практической конференции молодых ученых «Экологический интеллект-2011» (Днепропетровск, 2011); VI Международной научно-практической конференции «Наука в современном мире» (Москва, 2011); Молодежном инновационном форуме молодых ученых Приволжского федерального округа (Ульяновск, 2011), Международной молодежной конференции «Человек. Природа. Общество. Актуальные проблемы» (Воронеж, 2012); 2 International Scientific Conference European Applied Sciences: modern approaches in scientific researches (Stuttgart, Germany, 2013); Baumgarten I. Manipulations In Social Networks // II Science, Technology and Higher Education (Westwood, Canada, 2013).

Работа выполнялась в рамках соглашения №23-г на предоставление областного гранта в сфере научной и научно-технической деятельности «Исследования влияния загрязнения воздушного бассейна г. Оренбурга на эколого-биологические и биохимические показатели древесных растений» от 28.11.2010г.

Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, 6 глав, заключения, рекомендаций и выводов, включает 176 страниц, 53 таблицы, 75 рисунков и 6 приложений. Список литературы включает 309 наименований, из них 63 на иностранном языке.

Автор выражает искреннюю признательность научному руководителю д.б.н., профессору Рябининой З.Н. за руководство, поддержку, ценные советы и всестороннюю помощь при выполнении работы, а также сотрудникам кафедры ботаники и физиологии растений ОГПУ за моральную поддержку.

Глава 1 СОСТОЯНИЕ ИССЛЕДУЕМОГО ВОПРОСА

Загрязнение окружающей среды представляет собой одну из самых древних проблем человечества. Она возникла с появлением первых поселений и развивалась в геометрической прогрессии (Андерсон, Тершоу, 1998).

Концентрация и продолжительность воздействия загрязняющего комплекса на растения постоянно изменяются и зависят от розы ветров, топографии и расположения источников выбросов. Особенно велики колебания концентрации загрязняющих веществ в воздухе вблизи одиночных источников (Amor, Haigler, Johnson, Wainscott, Delmer, 1995; Aroca, Irigoyen, Sanchez-Diaz, 2001). По мере удаления от источника уменьшается концентрация ингредиентов и продолжительность воздействия на биоценоз. Предельно допустимые концентрации (ПДК) для древесной растительности не устанавливали, так как предполагалось, что они существенно не отличались от принятых для человека. Однако фотосинтетическая деятельность определяет большую чувствительность растений к воздействию многих фитотоксикантов (Илькун, 1978; Николаевский, 1983; Сергейчик, 1984; Пастернак, Ворон, Мазепа, 1985; Николаевский, 1988 а, б). Данные о ПДК часто противоречивы, что объясняется разными методами и критериями оценки, исследованиями в разных природно-климатических условиях, существенными различиями в возрасте исследуемых растений, а также действием сложных комбинаций токсикантов. По различным данным, максимально безвредной концентрацией сернистого ангидрида в воздухе может считаться 0,007-0,020мг/м3, что значительно ниже, чем санитарно-гигиеническая норма, установленная для населенных мест (Надеин и др., 2001).

Поскольку физиологические и экологические нормативы допустимого для растительности загрязнения воздуха более жесткие, чем гигиенические ПДК, а уровни современного загрязнения воздуха в промышленных регионах и странах превышают последние, то,

несомненно, главной причиной ослабления и усыхания хвойных является длительное действие промышленных поллютантов (Николаевский, 1996).

Городская среда характеризуется экстремальными условиями для жизнедеятельности живых организмов: высокими концентрациями загрязнителей в воздухе, почве и воде; повышенными температурами воздуха (в городах «теплее» на 1-3 °С); снижением интенсивности солнечной радиации и относительной влажности воздуха и почвы (в городе «суше» примерно на 5%); высокой запыленностью, резкими суточными колебаниями температуры воздуха и почвы (Горышина, 1991). В атмосфере города всегда находятся целые комплексы загрязняющих веществ, концентрации которых постоянно изменяются (Смит, 1985).

В результате в городах складывается особый мир урбанизированной природы, частью которого являются зеленые насаждения, выполняющие санитарно-гигиенические, структурно-планировочные, декоративно-художественные функции (Израэль и др., 1982; Горышина, 1991).

Экстремальные условия городской среды все больше усугубляются возрастающими поступлениями отработанных газов автотранспорта. Влияние дороги на растительность ограничено и с удалением от дороги влияние выхлопных газов снижается, хотя и прослеживается на расстоянии до 60 м (Сердикова, Мартынюк, 1983; Башин, 1999; Брянцева, Барахтенова, 1990). В городах широкая сеть транспортных артерий сопровождается большим фоновым загрязнением.

Воздействие газообразных поллютантов на древесные растения в условиях урбанизированной среды проявляется на всех уровнях организации растительного организма и затрагивает в первую очередь физиолого-биохимические процессы, нарушение которых приводит к изменению ультраструктурной организации и появлению видимых повреждений. Последствия действия газов отражаются на снижении

устойчивости растений к засухе, морозу, засолению почв, вредителям, болезням (Израэль и др., 1989; Черненькова, Макаров, 1996).

1.1 Физиологические, анатомо-морфологнческие и цитогенные изменения древесных растений

Воздушные поллютанты по отношению к растению следует рассматривать в качестве химических стрессоров, отрицательное воздействие которых, в первую очередь, обнаруживается на физиолого-биохимическом уровне, затем оно распространяется на ультраструктурный и клеточный ypoBHH(Brumelis, Brown, Nikodemus, Tjarve, 1999; Burkhardt, Eiden, 1990; Cherbuy, Joffre, Gillon, Rambai, 2001).

И лишь после этого развиваются видимые признаки повреждения (Мальхотра, Хан, 1988; Барахтенова, 1991; Григорьев, Бучельников, 1999). Проявление определенного адаптационного синдрома в растительном организме в ответ на действие раздражителя проходит известные стадии: шок, резистентность, истощение, гибель (Барахтенова, 1991). Общеизвестны факты, как постепенного отмирания, так и быстрого катастрофического распада древостоев (Николаевский, 1979; Абалаков, Малышев, Полюшкин, 1999; Лузанов, 2002).

Поглощение газов происходит круглосуточно, хотя ночью, вследствие закрывания устьиц, менее интенсивно; оно происходит во все сезоны, в том числе и зимой (Барахтенова, 1980; Николаевский, 1979). Скорость поступления газа в растения определяется интенсивностью газообмена, а токсический уровень воздействия - концентрацией его в окружающей среде и летальным уровнем накопления в тканях (Харчистова, 1981). Степень повреждения зависит от типа обмена веществ, то есть от соотношения скоростей поступления и удаления токсических соединений из организма (Илькун, 1971; Николаевский, 1979; Харчистова, 1981; Сергейчик, Сидорович, 1998). Повреждаемости растений газами способствуют факторы, повышающие газообмен и поглощение

токсических газов: повышенная температура, влажность воздуха и солнечная радиация, скорость ветра (Николаевский, 1964; Николаевский, Харчистова, 1987; Ситникова, 1990).

Диагностика жизненного состояния древостоев в условиях атмосферного загрязнения осуществляется на основе данных, х�