Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Эколого-биологическое состояние и особенности семенного размножения растений в условиях урбанизированной среды

ВАК РФ 03.02.08, Экология (по отраслям)

Автореферат диссертации по теме "Эколого-биологическое состояние и особенности семенного размножения растений в условиях урбанизированной среды"

На правах рукописи

ЖУРАВЛЕВА АНАСТАСИЯ НИКОЛАЕВНА

ЭКОЛОГО-БИОЛОГИЧЕСКОЕ СОСТОЯНИЕ И ОСОБЕННОСТИ СЕМЕННОГО РАЗМНОЖЕНИЯ РАСТЕНИЙ В УСЛОВИЯХ УРБАНИЗИРОВАННОЙ СРЕДЫ

Специальность 03.02.08 - экология (биология)

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Тольятти, 2012

12 м.ар тг

005013966

Диссертационная работа выполнена на кафедре инженерной защиты окружающей среды Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Удмуртский государственный университет»

НАУЧНЫЙ РУКОВОДИТЕЛЬ

доктор биологических наук, профессор Бухарина Ирина Леонидовна

ОФИЦИАЛЬНЫЕ ОППОНЕНТЫ:

доктор биологических наук, профессор Кавеленова Людмила Михайловна;

доктор биологических наук, профессор Кулагин Андрей Алексеевич

ВЕДУЩАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ:

Саратовский государственный университет им. Н.Г. Чернышевского

Защита диссертации состоится 29 марта 2012 г. в 13 часов на заседании диссертационного совета Д 002.251.01 при Институте экологии Волжского бассейна РАН по адресу: 445003, Самарская обл.. г. Тольятти, ул. Комзина, 10.

Тел.(8482) 489977, тел./факс (8482) 489504. E-mail: ievbras2005@mail.ru

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института экологии Волжского бассейна РАН. с авторефератом - в сети Интернет на сайте ИЭВБ РАН www.ievbras.ru и на сайте ВАК Минобрнауки vvww.mon.gov.ru.

Автореферат разослан «25 » февраля 2012 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета, ^ес^е-^^

кандидат биологических наук / ~~ А.Л. Маленев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность темы. В городской среде наблюдается комплексное воздействие негативных факторов природного и антропогенного характера на рост и развитие растений, их. способность к репродукции.

Репродуктивная стратегия является главным фактором реализации адаптивных возможностей вида, его эффективного воспроизводства и распространения. Выявление видов растений, обладающих высоким уровнем экологической адаптации и пластичности к условиям урбаносреды, - важная задача современности.

Актуальными в настоящее время становятся вопросы реконструкции и возобновления городских насаждений. В связи с чем, весьма важным является изучение влияния городской среды на семенное размножение растений.

Различные аспекты процессов роста и развития древесных и травянистых растений в условиях города изучались многими исследователями (Кулагин, 1974; Николаевский, 1979; Сергейчик, 1984; Горышина, 1991; Кулагин, 1994; Чернышенко, 1996; Неверова, Колмогорова, 2003: Кавеленова, 2006; Круглова, 2006; Кулагин, 2006; Повар-ницииа, 2007; Ведерников, 2008; Бухарина. 2009; Двоеглазова, 2009; Жуйкова, 2009), но особенности формирования генеративных структур, семенного размножения растений в условиях урбаносреды изучены недостаточно, а без учета эколого-биологических, в том числе и репродуктивных, характеристик растений не представляется возможным создание экологически эффективных насаждений города.

Цель исследовании - изучение эколого-биологического состояния древесных и травянистых растений в различных категориях городских насаждений и оценка влияния городской среды на их семенное размножение (на примере г. Ижевска). Задачи исследования:

1. Дать экологическую характеристику условий произрастания растений.

2. Оценить состояние и видовое разнообразие древесной и травянистой растительности в различных категориях насаждений.

3. Выявить физиолого-биохимические особенности листового аппарата (содержание хлорофилла, аскорбиновой кислоты) древесных и травянистых растений исследуемых категорий насаждений.

4. Оценить влияние городской среды на качество семени и начальные этапы роста проростка древесных и травянистых растений.

Научная новизна работы. Впервые для различных категорий насаждений крупного промышленного центра Уральского региона - г. Ижевска проведена сравнительная оценка влияния урбанизированной среды на репродуктивную способность семени древесных и травянистых растений. Проанализирована лабораторная и полевая всхожесть семян древесных и травянистых растений в связи с их эколого-биологическим состоянием в насаждениях г. Ижевска. Дана оценка влиянию почвенных условий на прорастание семени и развитие проростков. На защиту выносятся следующие положения:

1. Состояние древесной и травянистой растительности насаждений г. Ижевска свидетельствует о выраженной техногенной нагрузке.

2. Листья изучаемых видов древесных растений в различных экологических категориях насаждений города имеют аналогичный характер изменения содержания фотосинтетических пигментов и аскорбиновой кислоты; для травянистых растений характерны видоспецифические реакции.

3. Урбанизированная среда оказывает влияние на формирование семени, снижая показатель всхожести семени древесных и травянистых растений. Почвы,

имеющие низкие показатели фитотоксичности, могут оказывать стимулирующее воздействие на показатель всхожести семени.

Теоретическая значимость работы. Материалы исследований расширяют существующие представления об особенностях изменения содержания хлорофилла и аскорбиновой кислоты в листьях древесных и травянистых растений в зависимости от степени техногенной нагрузки. Результаты исследования способствуют расширению знаний о влиянии урбанизированной среды на репродуктивную способность растений.

Практическая значимость работы. Результаты оценки состояния насаждений города могут являться основой для планирования работ по их созданию и реконструкции, а также организации и планирования городских ландшафтов. Особенности семенного размножения древесных и травянистых растений можно использовать при создании древесных насаждений и газонов в различных категориях городских насаждений в зависимости от уровня техногенной нагрузки. Исследования могут быть использованы для разработки системы мероприятий по содействию естественному возобновлению растений.

Личный вклад автора. Автором определены цель и задачи исследования, осуществлены сбор материала, математическая обработка и анализ полученных результатов. Текст диссертации написан по плану, согласованному с научным руководителем. В диссертации использованы работы, опубликованные в соавторстве. Доля участия автора в подготовке этих публикаций составляет 60-90%.

Апробация работы. Основные результаты работы были доложены на Российской научной конференции с международным участием «Проблемы промышленной ботаники индустриально развитых регионов» (Кемерово, 2009). Всероссийской научно-практической конференции «Проблемы утилизации техногенных образований и органических отходов» (Ижевск, 2010), международной научно-практической конференции «Регионы в условиях неустойчивого развития» (Кострома - Шарья, 2010), Всероссийской научной конференции с международным участием «Принципы и способы сохранения'биоразнообразия» (Йошкар-Ола. 2010), Всероссийской научно-практической конференции «Проблемы биологической науки и образования в педагогических вузах» (Новосибирск. 2010). молодежной научной конференции «Актуальные проблемы экологии Волжского бассейна» (Тольятти, 2011), Всероссийском конкурсе «Инновационный потенциал молодежи 2012» (Ульяновск, 2011).

Публикации. По теме диссертации опубликовано И печатных работ, три из которых в журналах, рекомендованных ВАК Минобрнауки РФ.

Структура н объем работы. Диссертация изложена на 154 страницах, состоит из введения, 5 глав, выводов, списка литературы, включающего 224 источника, из них 15 на иностранных языках. 11 приложений. Работа содержит 12 таблиц и 21 рисунок.

Глава 1. ГОРОД КАК ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ СРЕДА

В первой главе рассматриваются экологические особенности городской среды, приводится характеристика экологической роли насаждений, эколого-биологические особенности растений городской среды (Кулагин, 1974; Илькун, 1978; Горышина, 1991; Кулагин, 1994; Третьякова, 2001; Неверова, Колмогорова, 2003: Кавеленова, 2006; Кулагин' 2006; Ведерников. 2008; Неверова, 2008; Бухарина, 2009; Жуйкова. 2009; Бухарина, Двоеглазова, 2010).

Глава 2. ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

Исследования проведены по программе, представленной на схеме (рис. 1). Объект исследований - древесные и травянистые растения, произрастающие в Ижевске в составе различных экологических категорий насаждений: примагистральные посадки (крупнейшие магистральные улицы Новоажимова и Кирова); санитарно-защитные зоны промышленных предприятий - ОАО «Автозавод». ОАО «Завод Пластмасс», являющихся одними из основных загрязнителей города. Согласно методическим подходам Н.С. Краснощековой (1987) в качестве зон условного контроля (ЗУК) выбраны ветрозащитная лесополоса в 90 км от г. Ижевска и территория городского бульвара им. Н.В. Гоголя.

Э кол ого-б иол отческое состояние и особенности семенного размножения _ растений в условиях упбяншмоовянной спелы

Характеристика условий ппонзоастання

Анализ состояния срелы

(. Анализ содержания тяжелых металлов (М-М8И-80-2008), физических и агрохимических показателен почв (Арннушкнна, 1961; Кузнецов, 1994. ГОСТ 26483-91, ГОСТ 17.54.01-84); 2 Фитотестпрова-нпе почв (вегетационный опыт).

Характеристика уровня техногенной нагрузки

I. Характеристика транспортного и промышленного комплексов; 2 Оценка

интенсивности и динамики движения автотранспорта (М етол! I ка определен ня , (999)

Оценка эколого-фнзиологнческого состояния лоевесных и травянистых растений

Анализ видового состава и оценка состояния насаждении

I Характеристика видового состава и состояния насаждении (методики таксации и инвентаризации насаждений (Соколов. 1998; ГОСТ 2140-81, Инструкция. ., 2002), маршрутным метод (Горышина. 1991; Туганаев, 1993), методика описания пробных плошадей (Родин и др.. 1968, Гришина и др., 1971; Метод реком..., 1981).

Характеристика функционального состояния листового аппарата

I. Определение содержания фотосинтетических пигментов (суммы хло-рофиллов а и Ь) (Метод. указания. 1989) и аскорбиновой кислоты (ГОСТ 2455689)

Характеристика репродуктивной способности

1 Оценка влияния техногенной нагрузки на всхожесть семян (вегетационный опыт),

2 Оценка влияния почвенных условий на всхожесть семян (вегетационный опыт)

Рис. !. Программа исследований

Математическую обработку материалов провели с применением статистического пакета ^а^Б^са 5.5». Использованы методы описательной статистики, дисперсионный многофакторный анализ (при последующей оценке различий методом множественного сравнения Ь80-тест). В процессе сравнения и анализа полученных результатов использовали достоверные различия между признаками (при Р<0,05).

Глава 3. ГОРОД ИЖЕВСК КАК КРУПНЫЙ ПРОМЫШЛЕННЫЙ ЦЕНТР

Дана характеристика физико-географического положения, природно-климатических условий г. Ижевска. Проведен анализ метеорологических условий периода исследований. Город Ижевск является крупным промышленным центром Уральского региона, наибольший вклад в загрязнение атмосферы которого вносят предприятия теплоэнергетики, металлургии и машиностроения, автотранспорт (Доклад..., 2007-2010: О состоянии..., 2010). За последние годы в Ижевске объемы выбросов от стационарных источников значительно сократились в связи со спадом промышленного производства, применением новых технологий и выполнением природоохранных мероприятий. Одновременно отмечается тенденция к росту числа автотранспорта и увеличение выбросов от передвижных источников загрязнения.

В последние годы уровень загрязнения атмосферного воздуха по показателю индекса загрязнения атмосферы (ИЗА5=6,75-5,7) оценивается как повышенный и средний.

Глава 4. ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАЙОНОВ ИССЛЕДОВАНИЯ 4.1 Динамика транспортного потока

Для характеристики условий произрастания растений примагистральных посадок мы провели оценку интенсивности и динамики движения автотранспорта по ул. Кирова и Новоажимова, а также расчет выбросов загрязняющих веществ. Исследованиями выявлено, что в транспортном потоке легковые автомобили составляют 89, грузовой автотранспорт — 7, автобусы - 4%. Суточная динамика интенсивности движения автотранспорта представлена на рис. 2.

4000 3500 5 3000 % 2500

3

| 2000 :

5 1500 О

| 1000 500

-ЛТТП—I

11»»оажимо»а

гру юные штомоошш

□ 1Л-14 мпс

ул. Кирова О I 8 -1 •>

Рис. 2. Суточная динамика интенсивности движения автотранспорта на ул. Новоажимова и Кирова (г. Ижевск)

Среднесуточная интенсивность движения автотранспорта на обеих магистралях составила свыше 30 тыс. ед./сут. и характеризуется как высокая. Наибольший показатель на ул. Кирова - свыше 90 тыс. ед./сут. Нами также отслежены сезонные изменения интенсивности движения транспортного потока (рис. 3).

100000 9000»

70000 60000 50000 40000

зоооо 20000 10000

••••••'1-

гру ювыс автомобили

легкое ые

гру ювыс автомобили

юва нварь

Рис. 3. Сезонная динамика среднесуточной интенсивности движения автотранспорта на ул. Новоажимова и Кирова

В летний период число единиц легкового автотранспорта увеличивается в 1,6 раза, грузового - в 1.8 раза по сравнению с зимними месяцами, что обусловлено увеличением грузо- и пассажиропотока в данное время года. Оценка выбросов загрязняющих веществ от передвижных источников (Методика.., 1993) проводилась с учетом интенсивности и состава транспортного потока (табл. 1).

Таблица 1.

Динамика выбросов загрязняющих веществ от автотранспорта

ул. Новоажимова ул. Кирова

легковые автомобили грузовые автомобили легковые автомобили грузовые автомобили

июнь январь июнь январь июнь январь июнь январь

СО 0,223 0,125 0,091 0,065 0.386 0,257 0,047 0,022

сн 0,047 0,026 0,010 0,007 0,082 0,054 0,005 0,002

Ы02 0,028 0,016 0,008 0,006 0,048 0,032 0,004 0.002

502 0,002 0,001 0,000 0,000 0,003 0,002 0,000 0,000

Высокая интенсивность движения автотранспорта в течение суток, увеличение транспортного потока в летний период, а с ним и объемов выбросов загрязняющих веществ повышают уровень техногенной нагрузки на насаждения вдоль магистралей, особенно в период активной вегетации растений.

4.2 Агрохимические и физические особенности почв районов исследования

В ходе оценки плотности сложения почв нами выявлено, что почвы насаждений санитарно-защитных зон промышленных предприятий ОАО «Автозавод» (1,24 г/см ) и ОАО «Завод Пластмасс» (1,26 г/см"*) являются слабоуплотненными. Почвы примагистральных посадок (ул. Кирова и ул. Новоажимова), а также городского бульвара им. Н.В. Гоголя имеют нормальную плотность сложения (от 1,12 до 1,19 г/см ). При этом отмечен низкий уровень полевой влажности почв во всех категориях насаждений (13-25%). По основным агрохимическим показателям почвы исследуемых районов значительно отличаются от естественных дерново-подзолистых почв. Основные агрохимические показатели, содержание валовых форм тяжелых металлов в почвах представлены в таблицах 2 и 3.

Таблица 2.

Агрохимические показатели почв районов исследования_

Показатели почв Районы исследования

ЗУК1 СЗЗ2 пром.предприятий примагистралыше посадки

ветрозащитная лесополоса бульвар им. Н.В. Гоголя Автозавод завод Пластмасс ул. Кирова ул. Новоажимова

рНш 4,56±0,10 7,32±0,01 6,74±0,15* 7,31 ±0,02 7,31 ±0,05 7,83±0,01*

рНн20 6,25±0,09 8,02±0,05 7,64±0,14 8,15±0,02 8,43±0,09* 8,52±0,02*

ЫН/, мг/кг. 293,5±3,1 138,3±9,0 131,8±10,5 64,2±4,9 158,4±5,0 41,7±3,4*

ЫОз", мг/кг 1,18±0,06 17,99±2,3 7 0,00 0,34±0,08 1,72±0,17 7,14±0,84

Р2О5, мг/кг 33,46±0,36 286,07± 16.03 63,03±1,52 81,22±2,88 194,19±12,11 46,55±5,87

К20, мг/кг 109,0±5,7 241,8±4,8 148,9±7,5 161,9±3,5 237,8±14,0 308,6±10,1*

Б, моль/1 ООг почвы 24,0±0,2 38,5±1,5 13,3±0,7* 38,4±2.0 24,5±3,7 40,5±0,6

Примечание: ЗУК - зоны условного контроля; СЗЗ" - санитарно-защитные зоны; * - достоверные различия (при Р<0,05).

Таблица 3.

Содержание химических элементов (валовая форма) в почвах _ районов исследования, мг/кг_

Районы исследования Содержание химических элементов

Zn Cd Си Ni Сг Мп РЬ

зоны условного контроля 60±18 <0,05 32±Ю 25±7 34±10 925±277 19±6

санитарно-защитные зоны пром.предприятий 118±36 <0,05 44±9 37±| 1 58±17 1737±521 68±14

примагистрапьные посадки 274±82 1,70±0,51 114±34 70±2! 144±43 1822±547 169±51

ПДК 220 2 132 80 15 1000 130

Трансформация почвенного покрова исследуемых категорий насаждений г. Ижевска проявляется в изменении следующих характеристик: подщелачивании почв (максимальные значения характерны для почв примагистральных посадок, где показатель рН на 2 ед. выше зональных почв); росте содержания обменного калия и подвижного фосфора; недостатке доступных для растений форм азота. Содержание цинка и свинца на четверть превышает ПДК в почвах примагистральных посадок. Многократное превышение допустимых концентраций выявлено для хрома и марганца в почвах примагистральных посадок и санитарно-защитных зон промышленных предприятий.

4.3 Оценка фнтотоксччности городских почв

Для характеристики экологического состояния почв помимо физических и агрохимических показателей большое значение имеет оценка степени их токсичности для растений.

Оценку фитотоксичности почв исследуемых категорий городских насаждений проводили по показателю полевой всхожести семян и морфометрическим параметрам проростка тест-культур (ГОСТ 20290-74).

Таблица 4.

Всхожесть семян тесг-культур при тестировании почв районов _исследований. % (8 сутки после посева)_

Тест-культура Районы исследований

ЗУК1 СЗЗ' пром.предприятий примагистральные посадки

ветрозащитная лесополоса бульвар им. Н.В. Гоголя Автозавод завод Пластмасс ул. Кирова ул. Новоажимова

Пшеница сорт «Анюта» 88±3J 80..964 96±2 90.. 100 90±2 85..95 88±4 80..95 87±3 80..92 87±5 75.99

Тимофеевка луговая 67±5 54..79 60±9 38..82 67±8 48..85 24±8* 7..42 40±10 17..63 24±10* 3..46

Примечание: ЗУК'- зоны условного контроля; СЗЗ"" - санитарно-защитные зоны; среднее значение ± ошибка среднего; доверительный интервал для среднего значения; * - достоверные различия (при Р<0,05).

Существенное снижение полевой всхожести семян наблюдалось только у тимофеевки луговой (РЫеит pratense L.) в почвах насаждений СЗЗ завода Пластмасс и в примагистральных посадках ул. Новоажимова.

Достоверно низкие показатели полевой всхожести семян тимофеевки луговой в почвах насаждений санзон промышленных предприятий и примагистральных посадок по сравнению с почвами условно чистых районов, на наш взгляд, свидетельствуют о более высокой чувствительности семян данной тест-культуры к токсическому воздействию городских почв. Отсутствие достоверных различий по данному параметру у пшеницы сорта «Анюта» (ТгШкит аенит Ь.) можно объяснить большим запасом питательных веществ, содержащихся в семени пшеницы, обеспечивающих проросток на начальных стадиях развития семени.

Значимым показателем токсичности почв для растений является изменение морфометрических параметров проростков тест-культур (табл. 5).

Таблица 5.

Морфометрические показатели проростков тест-культур

_при тестировании почв районов исследования (на 18 сутки после посева)

Районы исследований

Морфометрические параметры ЗУК1 сзз- пром.предприятий примагистральные посадки

ветрозащитная лесополоса бульвар им. Н.В. Гоголя Автозавод завод Пластмасс ул. Кирова ул. Новоажимова

Пшеница сорт «Анюта»

число корней, шт. 4,8±0,Г 4,6..5,04 4.8±0,1 4.6..5,0 4,9±0,1 4,8..5,0 4,9±0,1 4,7..5,0 5,0±0.1 4,9..5.1 4.9±0,1 4.8..5,0

длина корней, мм 159±3 152.. 165 171±3 165.. 179 180±4 172..188* 191±3 184.. 197* 177±3 171..182* 92±3 87..97*

высота надземной части побега, мм 149±5 138..160 !27±6 1 16.. 139 160±5 150.. 170 196±5 185..207* 208±5 199..219* 196±5 185..206*

Тимофеевка луговая

число корней, шт. 1,2±0,1 1,0.. 1,4 1.1±0,1 1.0.1,2 [,0±0.0 1.2±0,1 1.0...1,3 1,2±0,1 1,0...1.3 1.2±0,1 1,0..1,4

длина корней, мм 25±1 22.21 28±1 26..30 24±1 21..26 25±2 21.28 25±1 23..28 30±1 27..32*

высота надземной части побега, мм 45±3 39..51 38±2 34..43 Зб±2 32..40 34±2 30..38* 39±2 35..43 30±2 26..34*

Примечание: ЗУК - зоны условного контроля; СЗЗ" - санитарно-защитные зоны; 3 - среднее значение ± ошибка среднего; 4 - доверительный интервал для среднего значения: * - достоверные различия (при Р<0.05).

В ходе фитотестирования почв СЗЗ промышленных предприятий нами отмечено увеличение высоты надземной части побега и длины корней у проростков пшеницы, а значительно меньшие размеры надземной части побега, по сравнению с ЗУК, имели проростки тимофеевки луговой. В почвах примагистральных посадок (ул. Но-воажимова и Кирова) у проростков пшеницы отмечается увеличение размеров надземной части побега и уменьшение длины корней (ул. Новоажимова), а у проростков тимофеевки луговой - достоверное увеличение длины корней и уменьшение высоты надземной части побега.

У проростков обеих тест-культур под влиянием почвенных условий наблюдается изменение основных морфометрических параметров (меняется соотношение длины корней и высоты надземной части побега), что свидетельствует о токсическом действии почв на ранних этапах роста проростков.

Уровень фитотоксичности почв (фитотоксический эффект) оценили по изменению длины корней тест-культур по отношению к показателям ЗУК (Лозановская, Орлов, Садовникова, 1998): разница до 10% - экологически чистые почвы, 10-30% -слабая фитотоксичность почв, 30-50% - средняя и свыше 50% - высокая или недопустимая степень фитотоксичности почв.

Уменьшение длины корней проростков тимофеевки луговой на 11% в почвах насаждений санзоны предприятия Автозавод свидетельствует о слабой степени фитотоксичности почв. Наибольший фитотоксический эффект отмечен в почвах примаги-стральных посадок ул. Новоажимова - 44%.

Анализ агрохимических и физических показателей, оценка фитотоксичности почв исследуемых районов показали, что степень техногенной трансформации почв в насаждениях возрастает в ряду ЗУК - СЗЗ промышленных предприятий - примагист-ральные посадки.

Глава 5. ЭКОЛОГО-БИОЛОГИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ДРЕВЕСНЫХ И ТРАВЯНИСТЫХ РАСТЕНИЙ В НАСАЖДЕНИЯХ ГОРОДА

Анализ видового состава и состояния древесной и травянистой растительности был проведен ранее в девяти функциональных зонах города Ижевска (Бухарина, По-варницина, Ведерников, 2007; Бухарина, Двоеглазова, 2010). Аналогичная схема исследований была использована в изучаемых нами категориях насаждений города.

5.1 Видовой состав и состояние исследуемых категорий насаждений

В исследуемых категориях насаждений произрастает 32 вида древесных растений, из которых 14 - интродуценты. 2 вида встречаются только в культуре. Видовой состав в основном представлен березой повислой (Betula pendula Roth.), липой мелколистной (Tilia cordata Mill.), рябиной обыкновенной (Sorbus aucuparia L.), кленом ясе-нелистным (Acer negundo L.), тополем бальзамическим (Popuhis balsamifera L.). Наибольшее видовое разнообразие древесной растительности отмечено в при магистральных посадках (25 видов) и на территории бульвара им. Н.В. Гоголя (16 видов). Характеризуя состояние древесных растений, необходимо отметить, что в насаждениях в ряду ЗУК - СЗЗ промпредприятий - примагистральные посадки удовлетворительное и неудовлетворительное состояние имеют соответственно 78, 82, 80% особей деревьев и кустарников. Наибольший процент особей неудовлетворительного состояния отмечен в насаждениях промзоны Автозавода (15%) и в магистральных посадках ул. Новоажимова (8%). Основные патологии древесных растений в примагистральных посадках -механические повреждения, краевой некроз листьев, морозные трещины, закрытые и открытые прорости. У деревьев и кустарников в насаждениях санитарно-зашитных зон промышленных предприятий распространены сухобокость, морозные трещины, механические повреждения и суховершинность.

Описание формирующегося естественным образом травостоя в исследуемых категориях насаждений выявило 45 видов травянистых растений. Максимальное видовое разнообразие травянистой растительности (от 16 до 18 видов) отмечено в насаждениях СЗЗ промпредприятий и ЗУК. Площадь проективного покрытия травянистого покрова в ряду ЗУК - санзоны промпредприятий - примагистральные посадки составила соответственно 85, 75-80, 70-73%. На основе оценки проективного покрытия выделены виды, преобладающие в травостое: ежа сборная (Dactylis glomerala L.) и кострец безостый (ßromopsis inermis (Leyss.) Holub.). Ежа сборная произрастала на всех пробных площадях. Проективное покрытие составило 20-40% в насаждениях

ЗУК, 25-50% - в санзонах промышленных предприятий и 15-70% - в примагистральных посадках. Проективное покрытие костреца безостого в этих районах составило 23-55, 20-70 и 30-50% соответственно.

Несмотря на довольно широкий видовой состав насаждений, наибольший удельный вес составляют 5 видов деревьев и 2 вида трав. Площадь проективного покрытия травянистого покрова ни в одной из категорий изучаемых насаждений не достигает максимальных значений. Состояние лишь 1/3 особей древесных растений характеризуется как хорошее.

5.2 Содержание хлорофилла и аскорбиновой кислоты в листьях растений

В условиях городской среды в результате влияния целого комплекса аэротехногенных выбросов фотосинтезирующая деятельность растений значительно меняется. Существуют различные методы изучения фотосинтеза (по поглощению углекислоты, определению изменения сухой биомассы, содержанию органического вещества или углерода в листьях, газометрические методы), но решающее значение для оценки возможной активности фотосинтеза листа и растения в целом имеет концентрация фотосинтетических пигментов.

Дисперсионный анализ результатов исследования показал, что на содержание в листьях древесных растений суммы хлорофиллов а и Ь достоверное влияние оказали видовые особенности (Р<10" ). условия места произрастания СР<10'5) а также их взаимодействие (Р=7,18-10 ).

Анализ результатов показал, что у обоих изучаемых видов древесных растений (рис. 4А) содержание хлорофилла в листьях увеличивается в насаждениях СЗЗ пром-предприятий, а в магистральных посадках - снижается по сравнению с ЗУК.

140

Ьереи потели Тополкбиыашнгсмй

ЙЗсштамогогангроля ВШцшлрифпн □Лршлпрмвашш

А

Кострец безостый Ёя сборки

В)от пат мирон ВСЗЗ ц»и целцнта! ОПрмтршнеюца

Б

Рис. 4. Содержание хлорофилла в листьях древесных и травянистых растений, произрастающих в различных категориях насаждений г. Ижевска

На содержание хлорофилла в листьях ежи сборной и костреца безостого (рис. 4Б) также достоверно влияют видовые особенности (Р=2,5М0'5), условия места произрастания (Р<10") и взаимодействие этих факторов (Р<105). В листьях костреца безостого, произрастающего в примагистральных посадках и насаждениях СЗЗ промышленных предприятий, содержание хлорофилла увеличивается по сравнению с ЗУК, а в листьях ежи сборной существенное увеличение данного пигмента отмечается только в примагистральных насаждениях.

По обобщенным данным самое высокое содержание хлорофилла в листьях древесных и травянистых растений (за исключением ежи сборной) наблюдалось в насажде-

ниях СЗЗ промышленных предприятий. Мы полагаем, что в зоне влияния промышленных предприятий на растения воздействует невысокий уровень загрязнения. Большинство тяжелых металлов, содержащихся в аэротехногенных выбросах и почвах, являются биогенными элементами, что ведет к некоторому росту содержания хлорофилла, что также отмечалось в исследованиях ряда авторов (Илькун, 1978; Веретенников, 1980; Тарабрин, Кондратюк, Башкатов, 1986; Голубева, 1999: Бухарина, По-варницина, Ведерников, 2007; Поварницина, 2007).

Аскорбиновая кислота в растительной клетке участвует в регуляции окислительно-восстановительного потенциала, с которым связана активность многих ферментов и физиолого-биохимических реакций, в том числе таких жизненно важных, как фотосинтез и дыхание (Овчаров, 1964: Кретович, 1971; Чупахина, 1997). Содержание аскорбиновой кислоты тесно связано с условиями произрастания и физиологическим состоянием растительного организма.

Анализ полученных результатов выявил существенность влияния видовых особенностей (Р=3-10"\ условий места произрастания (Р<10"5), а также их взаимодействия (Р=0,0!97) на содержание аскорбиновой кислоты в листьях древесных растений. При возрастании техногенной нагрузки отмечается достоверный рост содержания аскорбиновой кислоты в листьях древесных растений в насаждениях СЗЗ промышленных предприятий (рис. 5А). а в примагистральных посадках содержание данного метаболита в листьях достоверно снижается.

Рис. 5. Содержание аскорбиновой кислоты в листьях древесных и травянистых растений. произрастающих в различных категориях насаждений г. Ижевска

Анализ результатов содержания аскорбиновой кислоты в листьях травянистых растений также выявил достоверное влияние видовых особенностей (Р=0.0005), условий места произрастания (Р<10'5) и их взаимодействия (Р=0,012) на данный показатель. Реакция травянистых растений на увеличение техногенной нагрузки была аналогична реакции древесных растений (рис. 5Б), а именно с увеличением нагрузки в ряду ЗУК - СЗЗ промпредприятий содержание аскорбиновой кислоты в листьях травянистых растений возрастает, а в условиях наиболее высокой техногенной нагрузки снижается почти в два раза по сравнению с условно чистыми местообитаниями.

5.3 Влияние техногенной нагрузки на репродуктивную способность древесных и травянистых растений

В урбанизированной среде отмечаются изменения в строении и развитии репродуктивных органов растений (дефектная пыльца, малое количество пыльцевых зе-

04о»1>с.-шш(янтрн1 НСЗЗц»« кредвриятий 0Пртшюралыыешхазки

А

рен в гнездах пыльника, аномальные изменения зародышевого мешка и др.). Значимым показателем репродуктивной способности растений является качество семени.

Формирование жизнеспособного семени является одной из важных адаптивных реакций растений в условиях урбанизированной среды. Успешность семенного размножения зависит как от количества и качества семян, так и от условий прорастания семени и дальнейшего развития проростков.

Наиболее важным и общеупотребимым параметром для характеристики качества семени является показатель всхожести, оцениваемый в лабораторных и полевых условиях. Лабораторную всхожесть оценивали в соответствии с ГОСТ 13056-97, ГОСТ 12038-84. Для проверки полевой всхожести семян растений был заложен вегетационный опыт, в котором посев семян проводили в почвенные образцы районов исследования (табл. 6).

Таблица 6.

Всхожесть семян растений, собранных в районах ____проведения исследований. %

Тополь бальзамический

Береза повислая

Ежа сборная

Всхожесть

Районы исследований

ЗУК'

лабораторная

полевая

полевая

(почвы

ЗУК)

лабораторная

полевая

полевая

(почвы

ЗУК)

Кострец безостый

лабораторная

ветрозащитная

лесополоса

9,3±2,4" -1.3..19.74

О

46.3±1.3 42.3..50,2

71,0±3.8 54.7..87,3

полевая

полевая

(почвы

ЗУК)

лабораторная

полевая

полевая (почвы ЗУК)

13.3±2.9 3.8..22.7

бульвар им. Н.В. Гоголя

СЗЗ2

пром.предприятий

Автозавод

завод Пластмасс

примагистральные посадки

ул. Кирова

5,3±1,5 -0,9.. 11,6

18,7±6,7 -10,0..47,4

26,7±3,5 11,5..41,8

5.3±0,7 2,5..8,2

2,0±0,7 -0,3..4,3

1,3±0,3 -0,1...2.8

12.4±2,1 5,6.. 18,3

33,3±0,6 30,5..35,5

!6,7±2,7 4,9-28.4

56.7±12.1 4,4.108,9

76,7±2.4 66,3-87,0

7,0±1,1 3,6-10.4

18,3±4.7 -1.9-38,6

10,3±0.7 7.5..13.2

28,0±2,7 19,5-36,5

13,3±5,6 -3,2.42,7

22,7±6,3 -9,3-59,7

14,0±0,9 11,1-16,9

22,2±2,0 13,4-30,6

18,7±4.8 -2,0-39,4

57,0±9.4 16,3-97,6

41.7±12,5 -12,3-95,7

15,3±2,1 8,6.21.9

7,7±4,6 -12,3-27,6

3,0±0.7 -1,7..8,0

58,0±1,3 53,9-62,1

70,7±5,8 45,6-95,7

74,7±7,4 42,7-106,6

27,3±2,9 14,6-40,1

ул. Ново-ажимова

3.3±0.7 0,5..6,2

93,7±3,0 80.9-106,4

62,0±3,8 45,7-78,3

60.3±2,6 52,1-68,1

36,3±5,5 12.9..59.8

27,7±2,7 15.9..39,4

50,0±1.2 46,1-53,9

66,7± 13.3 9,3-124,0

8,3±1,8 0,7.15,9

26,0±2,5 15,2-36,8

3,3±0.6 1,3-5,3

14,7±1.2 9,5-19.8

2,7±0,7 -0,2..5,5

1,3±0,7 -1,5..4.2

46,0±1,3 41,9-50,1

23,3±5,2 -9,3-54,7

49,3±8.4 13,1.85,5

60,0±12,0 8,4..П1,6

Примечание: ЗУК - зоны условного контроля; С33< - санитарно-защитные зоны,^ среднее значение ± ошибка среднего значения; 4 - доверительный интервал для среднего значения (при Р<0,05), -* - отсутствие плодоносящих деревьев в составе насаждений.

У тополя бальзамического показатели лабораторной всхожести были низкими, а полевой всхожести - равными нулю. У березы повислой всхожесть семян (лабораторная и полевая) в примагистральных посадках (ул. Новоажимова) существенно снижается по сравнению с ЗУК. При этом установлено, что показатели полевой всхожести семян выше, чем лабораторной. Через 17-19 дней после посева семян у древесных растений наблюдалась 100% гибель проростков.

У травянистых растений жизнеспособными являются семена растений всех категорий насаждений, но наибольшие показатели всхожести (лабораторной и полевой) наблюдались у семян растений примагистральных посадок (ул. Кирова), а у костреца безостого и в насаждениях СЗЗ промышленных предприятий. Морфометрический анализ надземной части проростков травянистых растений не выявил достоверных различий по районам исследования,

Параллельно была оценена полевая всхожесть семян растений исследуемых категорий насаждений в условно чистых почвах (вегетационный опыт с посевом семян в почвы, отобранные в насаждениях ЗУК (ветрозащитная лесополоса). Результаты этого опыта оказались аналогичными оценке полевой всхожести семян в вегетационном опыте с посевом семян в почвы районов исследования.

Таким образом, у березы повислой во всех проведенных вегетационных опытах полевая всхожесть семян превосходила показатель лабораторной всхожести. У изучаемых видов травянистых растений полевая всхожесть либо не имела достоверных различий, либо была ниже лабораторной.

С целью выявления фитотоксичного эффекта почв на всхожесть семян растений был заложен вегетационный опыт: семена, собранные у древесных и травянистых растений, произрастающих в условно чистых местообитаниях (ветрозащитная лесополоса), были посеяны в почвенные пробы, отобранные в исследуемых категориях насаждений г. Ижевска.

Результаты показали, что почвенные условия оказали существенное влияние на всхожесть семян древесных растений (рис. 6).

-т-

&Гф0 ШИПИМ

лесополоса

Бъ.мар Гого.и

Заеол ул Гпхгчхс Ношжгаога

.1 Кцюв:

ЗУК СЗЗ проч. гролрнлш Причалефлльныс посадки

Рис. 6. Влияние почвенных условий различных категорий насаждений г. Ижевска на всхожесть семян березы повислой

Встроташкшя Бу.ъвар Гоголя Леюзди полоса

Заюл Пластчасс

л Кирова

Ноюзхичова

»К СЗЗ проч. предприятий Прнмапнлралные посадки

□ Ежа сборная 8 Кос трзц безостый

Рис. 7. Влияние почвенных условий различных категорий насаждений г. Ижевска на всхожесть семян травянистых растений

У тополя бальзамического проросшие семена погибали на 4-5 сутки. У березы повислой на почвах из насаждений санитарно-защитных зон промышленных предприятий мы наблюдали стимулирующее воздействие на процессы прорастания семени, у которой отмечено возрастание всхожести по сравнению с контрольным вариантом. У этого вида в почвенных пробах санитарно-защитной зоны Автозавода наблю-

дали самый высокий процент проросших семян (81%). Стимулирующий эффект почв насаждений санитарно-защитных зон на всхожесть семян березы повислой, на наш взгляд, обусловлен невысоким содержанием в почвах тяжелых металлов, которые являются для растений биогенными элементами и влияют на семена растений как слабый раствор микроэлементов (прием, который используется в лесохозяйственной практике). Негативное влияние на всхожесть семян установлено на почвах магистральных посадок ул. Новоажимова.

У травянистых растений (рис. 7) наблюдался противоположный эффект: у ежи сборной всхожесть семян существенно снизилась по сравнению с ЗУК; у костреца безостого во всех почвенных образцах за исключением бульвара им. Н.В. Гоголя семена не проросли. По морфометрическим параметрам проростки ежи сборной во всех вариантах опыта значимых различий не имели.

5.4. Общая характеристика среды п состояния насаждений исследуемых районов

Результаты проведенных исследований позволили оценить состояние насаждений, условий произрастания растений и определить основные направления зеленого строительства города (табл. 7). Необходимыми мероприятиями в озеленении города являются: снижение уровня фитотоксичности почв; восстановление травянистого покрова и реконструкция газонов, особенно в примагистральных насаждениях; реконструкция и компенсационное озеленение существующих насаждений; увеличение площади насаждений общего пользования.

Таблица 7.

Характеристика условий произрастания и состояния растений __в районах исследования_

Районы исследования Состояние окружающей среды Состояние насаждений

Зоны условного контроля Почвы характеризуются низким уровнем полевой влажности, нормальной плотностью сложения, слабокислые и нейтральные, наблюдается превышение ПДК по содержанию хрома. Состояние древесной растительности хорошее и удовлетворительное, основные пороки - сухобокость. прорости. Проективное покрытие травянистого покрова 85%. Содержание: хлорофилла в листьях древесных растений 947-1491, травянистых растений - 804-879 мг%; аскорбиновой кислоты-60-122 и 102-121 мг% соответственно. Низкая лабораторная и полевая всхожесть семян у тополя бальзамического.

Санитарно-защитные зоны Почвы характеризуются низким уровнем полевой влажности, как слабоуплотненные, нейтральные. Превышение ПДК по содержанию хрома, марганца. Фитотоксичность почв низкая. Состояние древесной растительности удовлетворительное и неудовлетворительное, пороки - морозные трещины, сухобокость. Проективное покрытие травянистого покрова 75-80%. Содержание хлорофилла и аскорбиновой кислоты в листьях древесных и травянистых растений превышает ЗУК. Низкая полевая и ла-

бораторная всхожесть семян у тополя бальзамического и ежи сборной, высокая полевая всхожесть семян у березы повислой и костреца безостого.

Примагистральные посадки Почвы характеризуются низким уровнем полевой влажности, нормальной плотностью сложения, нейтральной и слабощелочной реакцией. Превышение ПДК по содержанию хрома, марганца, цинка и свинца. Фи-тотоксичность почв средняя. Интенсивность движения автотранспорта высокая. Состояние древесной растительности удовлетворительное и неудовлетворительное, пороки - механические повреждения, краевой некроз листьев. Проективное покрытие травянистого покрова 70%. Содержание аскорбиновой кислоты в листьях древесных и травянистых растений ниже, чем в насаждениях ЗУК и СЗЗ промпредприятий. У древесных растений содержание хлорофилла в листьях ниже, чем в ЗУК и СЗЗ промпредприятий. Низкая лабораторная всхожесть семян у древесных растений и высокая -у травянистых растений.

выводы

1. Для почв исследуемых категорий насаждений г. Ижевска характерно смещение значений pH в щелочную сторону (рНн2о 7,6 - 8,5), повышенное содержание обменного калия (149 - 309 мг/кг) и подвижного фосфора (47 - 194 мг/кг), а также снижение содержания аммонийного азота (42 - 158 мг/кг) по сравнению с зонами условного контроля. По основным агрохимическим показателям наиболее трансформированными являются почвы примагистральных посадок. Фитотестирование почв выявило среднюю степень токсичности почв примагистральных посадок и низкую степень токсичности почв санитарно-защитных зон промышленных предприятий. Интенсивность движения автотранспорта на исследуемых магистралях характеризуется как высокая.

2. В составе насаждений преобладают древесные растения, имеющие удовлетворительное состояние. Наибольший процент особей неудовлетворительного состояния отмечается в примагистральных посадках и насаждениях санитарно-защитных зон промышленных предприятий. Видовой состав исследуемых категорий насаждений включает 32 вида древесных растений, преобладающими из которых являются береза повислая (Betlila pendula Roth.), липа мелколистная (Tilia cordata Mill.), тополь бальзамический (Popiilus balsamifera L.), рябина обыкновенная (Sor-bus aucuparia L ), клен ясенелистный (Acer negundo L.). Травянистый покров представлен 45 видами растений, доминирущими являются ежа сборная (Dactylis glom-erata L.) и кострец безостый (Bromopsis inermis (Leyss.) Holub.). Площадь проективного покрытия травянистого покрова насаждений уменьшается в ряду зоны условного контроля - санитарно-защитные зоны промышленных предприятий -примагистральные посадки.

3. Содержание хлорофилла в листьях изученных древесных и травянистых растений зависит от их видовых особенностей, уровня техногенного воздействия и взаимодействия этих факторов. У древесных растений содержание хлорофилла возрастает в насаждениях санитарно-защитных зон и снижается в примагистральных по-

садках. Аналогичные изменения характерны и для содержания аскорбиновой кислоты в листьях. У травянистых растений проявляется видоспецифическая реакция. У костреца безостого содержание хлорофилла и аскорбиновой кислоты в листьях возрастает в насаждениях санитарно-защитных зон. В магистральных посадках, в условиях наибольшей техногенной нагрузки, содержание фотосинтетических пигментов также выше, чем в зонах условного контроля, при этом содержание аскорбиновой кислоты существенно снижается. У ежи сборной в насаждениях санитарно-защитных зон промышленных предприятий содержание хлорофилла в листьях снижается при увеличении концентрации аскорбиновой кислоты. В магистральных посадках наблюдается обратная реакция.

4. У древесных растений всхожесть семени снижается при возрастании техногенной нагрузки. Семена тополя бальзамического не жизнеспособны. У березы повислой показатели полевой всхожести семени превосходят значения лабораторной. У травянистых растений, произрастающих в травянистом покрове изучаемых категорий насаждений, семена являются жизнеспособными. Показатели всхожести семян трав, произрастающих в насаждениях санитарно-защитных зон промышленных предприятий и примагистральных посадок, не имеют достоверных различий с зонами условного контроля либо превышают их.

Эффект токсического влияния почв разных категорий насаждений на всхожесть семени проявляется на травянистых растениях, снижая их всхожесть либо полностью подавляя прорастание семени. У березы повислой токсический эффект почв на нрорастание семени не проявляется, либо почвы с невысоким уровнем содержания тяжелых металлов (биогенных элементов) оказывают стимулирующее воздействие на всхожесть семени.

5. При планировании и реконструкции городских насаждений необходимо учитывать эколого-биохимические особенности растений, включая репродуктивную способность, которые обуславливают устойчивость и возобновление растений в условиях урбаносреды.

Список работ, опубликованных в рецензируемых научных журналах, рекомендуемых ВАК

1. Бухарина И.Л.. Ведерников К.Е.. Двоеглазова A.A.. Болышева О.Г.. Журавлева А.Н. Эколого-биологические особенности адаптации древесных и травянистых растений в условиях интенсивной техногенной нагрузки // Вестник Мар-ГТУ сер. Лес. Экология. Природопользование. - 2009. - №3. - С. 84-91.

2. Журавлева А.Н., Бухарина И.Л., Двоеглазова A.A. Экологическое состояние почв и динамика антиоксидантов в побегах древесных растений в насаждениях г. Ижевска// В мире научных открытий. - 2011.-№5. - С. 297-306.

3. Журавлева А.Н. Оценка экологического состояния почв и зольности растений в насаждениях г. Ижевска // Вестник Саратовского госагроуниверситета им. Н.И. Вавилова. - 2012. - №2. - С. 25-29.

Список работ, опубликованных в региональных журналах и сборниках

1. Журавлева А.Н. Использование тимофеевки луговой (Phleum pratense L.) в качестве тест-объекта при фитоиндикации загрязненности городских почв // Рекультивация нарушенных земель в Сибири: Сб. научн. трудов - Кемерово-КРЭОО «Ирбис», 2009. - Вып. 4. - С. 28-30.

2. Журавлева А.Н. Изучение состояния озелененных территорий города как пример организации самостоятельной работы по дисциплине «Экологические основы природопользования» И Научное обеспечение инновационного развития

АПК: матер. Всерос. науч.-практ. конф. Т.2. - Ижевск: ФГОУ ВПО Ижевская ГСХА, 2010. - С. 264-266.

3. Журавлева А.Н. Изучение влияния урбанизации на состояние городских экоси-. стем, как пример организации самостоятельной работы в рамках реализации

дисциплины «Экологические основы природопользования» // Проблемы биологической науки и образования в педагогических вузах.: мат. Всерос. науч.-практ. конф. Вып. 6.- Новосибирск, 2010.-С. 148-151.

4. Бухарина И.Л., Журавлева А.Н. Использование семян древесных и травянистых растений в качестве тест-объектов при фитоиндикации загрязненности городских почв // Безопасность в техносфере: Сб. статей. Вып. 6. - Ижевск, 2010. -С. 137-141.

5. Журавлева А.Н. Оценка фитотоксичности почв с использованием семян пшеницы // Регионы в условиях неустойчивого развития: матер, науч.-практ. конф. Т. 2. - Кострома, 2010. - С. 108-111.

6. Журавлева А.Н., Главатских A.M. Изучение состояния озелененной территории общего пользования в г. Ижевске (на примере Бульвара им. Н.В. Гоголя) // матер. Респуб. экол. конф. - Ижевск, 2010. - С.32-35.

7. Журавлева А.Н., Борисова К.И. Влияние активированных водных растворов на рост и развитие растений // Принципы и способы сохранения биоразнообразия: мат. Всерос. науч. конф. с междунар. участием. - Йошкар-Ола: МарГУ. 2010. -С. 255-257.

8. Журавлева А.Н. Оценка репродуктивного потенциала древесных растений в условиях техногенного загрязнения // Труды молодых ученых Поволжья: экол. сб. 3. - Тольятти, 2011. - С. 297-306.

Отпечатано с оригинал-макета заказчика

Подписано в печать 21.02.2012. Формат 60x84 716. Тираж 100 экз. Заказ № 341.

Типография ФГБОУ ВПО «Удмуртский государственный университет» 426034, Ижевск, ул. Университетская, 1, корп. 4.

Текст научной работыДиссертация по биологии, кандидата биологических наук, Журавлева, Анастасия Николаевна, Ижевск

61 12-3/720

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Удмуртский государственный университет»

На правах рукописи

Журавлева Анастасия Николаевна

ЭКОЛОГО-БИОЛОГИЧЕСКОЕ СОСТОЯНИЕ И ОСОБЕННОСТИ СЕМЕННОГО РАЗМНОЖЕНИЯ РАСТЕНИЙ В УСЛОВИЯХ УРБАНИЗИРОВАННОЙ СРЕДЫ

Специальность 03.02.08 - экология (биология) Диссертация на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Научный руководитель: Бухарина Ирина Леонидовна, д.б.н., профессор

Ижевск 2012

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ..............................................................................................................................................................3

Глава 1. ГОРОД КАК ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ СРЕДА.......................... 7

1.1 Экологические особенности городской среды.............. 7

1.2 Средостабилизирующая роль насаждений в

урбаносреде................................................................. 10

1.3 Эколого-биологические особенности растений в городской среде................................................... 16

1.3.1 Влияние городской среды на физиологическое состояние и биохимический состав растений............. 17

1.3.2 Особенности формирования вегетативных органов и генеративных структур у растений в условиях урбаносреды.............................................................. 20

Глава 2. ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ..................... 28

2.1 Программа и методы исследований........................... 28

2.2 Эколого-биологическая характеристика изучаемых

видов растений................................................................. 34

Глава 3. ГОРОД ИЖЕВСК КАК КРУПНЫЙ ПРОМЫШЛЕННЫЙ

ЦЕНТР.................................................................... 39

3.1 Природно-климатические условия........................... 39

3.2 Метеорологические особенности в годы исследований.. 42

3.3 Характеристика транспортно-промышленного

комплекса.......................................................... 44

Глава 4. ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАЙОНОВ

ИССЛЕДОВАНИЯ..................................................... 49

4.1 Динамика транспортного потока.............................. 49

4.2 Агрохимические и физические особенности почв районов исследования................................................ 54

4.3 Оценка фитотоксичности городских почв.................... 65

Глава 5. ЭКОЛОГО-БИОЛОГИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ДРЕВЕСНЫХ И ТРАВЯНИСТЫХ РАСТЕНИЙ В НАСАЖДЕНИЯХ ГОРОДА................................................ 74

5.1 Видовой состав и состояние исследуемых категорий

насаждений....................................................... 75

5.2 Содержание хлорофилла и аскорбиновой кислоты

в листьях растений................................................ 81

5.3 Влияние техногенной нагрузки на репродуктивную способность древесных и травянистых растений......... 92

5.4 Общая характеристика среды и состояния насаждений исследуемых районов............................................ 103

ВЫВОДЫ................................................................................... 106

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ............................................................... 109

ПРИЛОЖЕНИЯ.............................................................................. 131

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. В городской среде наблюдается комплексное воздействие негативных факторов природного и антропогенного характера на рост и развитие растений, их способность к репродукции.

Репродуктивная стратегия является главным фактором реализации адаптивных возможностей вида, его эффективного воспроизводства и распространения. Выявление видов растений, обладающих высоким уровнем экологической адаптации и пластичности к условиям урбаносреды, - важная задача современности.

Актуальными в настоящее время становятся вопросы реконструкции и возобновления городских насаждений. В связи с чем весьма важным является изучение влияния городской среды на семенное размножение растений.

Различные аспекты процессов роста и развития древесных и травянистых растений в условиях города изучались многими исследователями (Кулагин, 1974; Николаевский, 1979; Сергейчик, 1984; Горышина, 1991; Кулагин, 1994; Чернышенко, 1996; Неверова, Колмогорова, 2003; Кавеленова, 2006; Круглова, 2006; Кулагин, 2006; Поварницина, 2007; Ведерников, 2008; Бухарина, 2009; Двоеглазова, 2009; Жуйкова, 2009), но особенности формирования генеративных структур, семенного размножения растений в условиях урбаносреды изучены недостаточно, а без учета эколого-биологических, в том числе и репродуктивных, характеристик растений не представляется возможным создание экологически эффективных насаждений города.

Цель исследования - изучение эколого-биологического состояния древесных и травянистых растений в различных категориях городских насаждений и оценка влияния городской среды на их семенное размножение (на примере г. Ижевска).

Задачи исследования:

1. Дать экологическую характеристику условий произрастания растений.

2. Оценить состояние и видовое разнообразие древесной и травянистой растительности в различных категориях насаждений.

3. Выявить физиолого-биохимические особенности листового аппарата (содержание хлорофилла, аскорбиновой кислоты) древесных и травянистых растений исследуемых категорий насаждений.

4. Оценить влияние городской среды на качество семени и начальные этапы роста проростка древесных и травянистых растений.

Научная новизна работы. Впервые для различных категорий насаждений крупного промышленного центра Уральского региона -г. Ижевска - проведена сравнительная оценка влияния урбанизированной среды на репродуктивную способность семени древесных и травянистых растений. Проанализирована лабораторная и полевая всхожесть семян древесных и травянистых растений в связи с их эколого-биологическим состоянием в насаждениях г. Ижевска. Дана оценка влиянию почвенных условий на прорастание семени и развитие проростков.

На защиту выносятся следующие положения:

1. Состояние древесной и травянистой растительности насаждений г. Ижевска свидетельствует о выраженной техногенной нагрузке.

2. Листья изучаемых видов древесных растений в различных экологических категориях насаждений города имеют аналогичный характер изменения содержания фотосинтетических пигментов и аскорбиновой кислоты; для травянистых растений характерны видоспецифические реакции.

3. Урбанизированная среда оказывает влияние на формирование семени, снижая показатель всхожести семени древесных и травянистых растений. Почвы, имеющие низкие показатели фитотоксичности, могут оказывать стимулирующее воздействие на показатель всхожести семени.

Теоретическая значимость работы. Материалы исследований расширяют существующие представления об особенностях изменения содержания хлорофилла и аскорбиновой кислоты в листьях древесных и травянистых растений в зависимости от степени техногенной нагрузки. Результаты исследования способствуют расширению знаний о влиянии урбанизированной среды на репродуктивную способность растений.

Практическая значимость работы. Результаты оценки состояния насаждений города могут являться основой для планирования работ по их созданию и реконструкции, а также организации и планирования городских ландшафтов. Особенности семенного размножения древесных и травянистых растений можно использовать при создании древесных насаждений и газонов в различных категориях городских насаждений в зависимости от уровня техногенной нагрузки. Исследования могут быть использованы для разработки системы мероприятий по содействию естественному возобновлению растений.

Личный вклад автора. Автором определены цель и задачи исследования, осуществлены сбор материала, математическая обработка и анализ полученных результатов. Текст диссертации написан по плану, согласованному с научным руководителем. В диссертации использованы работы, опубликованные в соавторстве. Доля участия автора в подготовке этих публикаций составляет 60-90%.

Апробация работы. Основные результаты работы были доложены на Российской научной конференции с международным участием «Проблемы промышленной ботаники индустриально развитых регионов» (Кемерово, 2009), Всероссийской научно-практической конференции «Проблемы утилизации техногенных образований и органических отходов» (Ижевск, 2010), международной научно-практической конференции «Регионы в условиях неустойчивого развития» (Кострома - Шарья, 2010), Всероссийской научной конференции с международным участием «Принципы и способы сохранения биоразнообразия» (Йошкар-Ола, 2010),

Всероссийской научно-практической конференции «Проблемы биологической науки и образования в педагогических вузах» (Новосибирск, 2010), молодежной научной конференции «Актуальные проблемы экологии Волжского бассейна» (Тольятти, 2011), Всероссийском конкурсе «Инновационный потенциал молодежи 2012» (Ульяновск, 2011).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 11 печатных работ, три из которых в журналах, рекомендованных ВАК Минобрнауки РФ.

Структура диссертации. Диссертация изложена на 154 страницах, состоит из введения, 5 глав, выводов, списка литературы, включающего 224 источника, из них 15 на иностранных языках, 11 приложений. Работа содержит 12 таблиц и 21 рисунок.

Благодарности. Выражаю искреннюю благодарность научному руководителю д.б.н., профессору И.Л. Бухариной за общее руководство работой, ценные советы, обсуждение и обобщение материала, а также всестороннюю поддержку на всех этапах работы; д.б.н., профессору В.В. Туганаеву; к.б.н., доценту К.Е. Ведерникову; к.б.н. A.A. Двоеглазовой; к.б.н., доценту Н.Ю. Сунцовой. Выражаю благодарность моему первому научному наставнику, почетному работнику общего образования РФ, заслуженному работнику народного образования Удмуртской Республики В.В. Агафоновой за приобщение к научной деятельности и помощь при проведении исследований. Я очень признательна коллективу лаборатории агрохимии Ижевской ГСХА; коллективу лаборатории хроматографии и спектрофотометрии кафедры неорганической и аналитической химии биолого-химического факультета УдГУ, а также инженеру Е.В. Батуевой; коллективу лаборатории экологической безопасности техногенных и урбанизированных территорий ИГЗ УдГУ; коллективу кафедры инженерной защиты окружающей среды ИГЗ УдГУ; студентам УдГУ К.И. Борисовой, М.А. Рогожниковой, A.M. Главатских; студентам лесохозяйственного и агрономического факультетов Ижевской ГСХА; студентам ИГЗ УдГУ; ведущему юрисконсульту ОАО «МТЭР» Н.С. Лабунец.

ГЛАВА 1. ГОРОД КАК ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ СРЕДА 1.1 Экологические особенности городской среды

Современный город - это сложная, открытая, динамичная искусственно-естественная система. Специфической особенностью этой мощной системы является то, что она становится ощутимым фактором воздействия как на природные системы, так и на человека (Kasperidus, 2002; Напрасникова, 2011).

В городе существуют различные микро- и мезоклиматические особенности. Городская застройка ведет к редуцированию площади растительного покрова, а также к заполнению данных мест искусственными, часто водонепроницаемыми и накапливающими тепло материалами (Kasperidus, 2002). Меняется комплекс климатических условий города: повышается температура воздуха на 1-3 °С, увеличивается количество выпадающих осадков и ливневых дождей, нарушаются особенности их распределения по сезонам года, увеличивается облачность, уменьшается количество солнечной радиации (особенно УФ). Образование и повторяемость туманов в 1,5-2 раза превышает пригородные зоны, особенно в зимнее время. Загрязнение атмосферы города увеличивает ее мутность, образование туманов типа смога снижает продолжительность солнечного сияния по сравнению с пригородом на 500 часов (Geyer, 2002). Промышленность и транспорт влияют на газовый состав атмосферы, увеличивая концентрацию углекислого газа, что наряду с задымлением, запыленностью негативно изменяет баланс природной энергии и освещения. При этом над городом образуется купол - «тепловая шапка», в котором содержится большое количество загрязняющих веществ, который накрывает не только город, но и прилегающую к нему территорию. «Тепловая шапка» образуется на высоте 100-300 м над поверхностью земли и рассеивается при скоростях ветра более 7-9 м/с. В условиях города отмечается нивелирование

ветров, усиление турбулентности воздушных потоков, что связано с особенностями городского рельефа и планировочными особенностями застройки. Штиль способствует застаиванию воздуха в зонах загрязнения. Его наибольшая повторяемость происходит в утренние часы. Отсутствие ветра при пасмурной погоде и высокой влажности приводит к острым отравлениям ассимиляционного аппарата растений. От направления и силы ветров зависит расстояние горизонтальной миграции загрязнителей, время воздействия их на растительные организмы и экосистемы (Берлянд, Кондратьев, 1972;Израэль, 1984; Неверова, Колмогорова, 2003).

Особенностью светового режима в урбаноэкосистемах является дополнительное освещение улиц, искусственно продлевающее световой день, которое нарушает фотопериодические реакции растений и естественные биологические ритмы поведения животных. Растения в городе часто испытывают прямое затенение из-за близко расположенных стен строений (Стурман, Малькова, Загребина, 2002; Неверова, Колмогорова, 2003).

Следствием производственно-бытовой деятельности населения городов является образование мощных техногенных потоков веществ, приводящих к загрязнению территорий городов, трансформации городских почв (Неверова, Колмогорова, 2003). Почвенный покров городских территорий представлен обычно урбаноземами с отсутствием или нарушенностью генетических горизонтов. В состав городских почв входят строительный и бытовой мусор, промышленный шлам и шлаки, а также остатки сточных вод и другие примеси. В городских почвах отмечается превышение допустимого уровня содержания микроэлементов и, соответственно, переход их в разряд тяжелых металлов. В большинстве случаев загрязнение тяжелыми металлами затрагивает лишь поверхностные слои почвы (Рылова, 2003; Федорова, Просвирина, Калаев, 2005; Hegemeyer, 1999). По сравнению с зональными почвами урбаноземы характеризуются переуплотнением, более щелочной реакцией среды, нарушением водно-воздушного режима, снижением

буферности и гумусированности (Рылова 2003; Юркова, Юрков, Смагин, 2009; Хрущева, 2010; Соловьева, Ашихмина, Широких, 2011).

Проточные воды всегда были важным элементом городской среды. В современных городах водные источники подвергаются загрязнению, канализируются или даже проводятся под землей. Использование грунтовых вод в питьевых и промышленных целях значительно снижает их уровень в городе, сильно ограничивая в засушливый период водоснабжение растений. Уплотнение и закупоривание городских почв, а также отвод осадков через канализацию уменьшает образование грунтовых вод (КазрепёиБ, 2002).

В условиях городской среды значительной трансформации подвергается флора и растительность. Происходит уничтожение естественной растительности, селективное подавление отдельных видов, осуществляется интродукция новых видов, идет стихийный процесс заноса не свойственных данной местности видов растений (Капитонова, 2010).

Городская среда обитания является особой средой для жизни любых видов животных. На животных в городе воздействует повышенная температура, «акустическое неблагополучие» среды, ночное освещение, отличный от природного растительный мир. Особенностью городов является обилие домашних животных, а также хорошо приспособленных для жизни и размножения в городе птиц, таких как вороны, галки, голуби, чайки, которые определяют для многих других птиц и зверей возможность или невозможность проникновения в городскую среду. Возникают городские расы животных и птиц, у которых в целом меняются питание, инстинкты и поведение (Клауснитцер, 1990).

Городская среда отличается своеобразным изменением основных экологических факторов: ухудшением состояния городских почв, загрязнением воздуха, поверхностных и подземных вод, формированием особых микро- и мезоклиматических условий, что приводит к значительной трансформации окружающей среды. Изменения абиотических параметров среды запускают механизмы различных адаптационных реакций и изменений

в составе биотического компонента урбоэкосистемы, который выполняет важную роль по экологической оптимизации и стабилизации городской среды.

1.2 Средостабилизирующая роль насаждений в урбаносреде

Интенсивный рост городов, развитие транспортных сетей, повышающийся с каждым годом тонус городской жизни актуализируют проблемы сохранения и оздоровления урбанизированной среды, формирования условий, благотворно влияющих на психофизиологическое состояние человека. С помощью зеленых растений можно в значительной мере регулировать эти параметры, чтобы приблизить их к оптимальным. Многолетние исследования выявили важную средоулучшающую роль растений в регулировании состояния атмосферного воздуха, микроклимата городской среды, в сфере защиты урбаносреды от отрицательных антропогенных факторов, в обеспечении горожан рекреационными территориями (Кулагин, 1974; Илькун, 1978; Антипов, 1979; Гудери