Экологические последствия загрязнения тяжёлыми металлами фитоценозов центральной россии 03. 00. 16 Экология
| Вид материала | Автореферат |
- Особенности загрязнения четвертичных отложений территории г. Москвы тяжелыми металлами, 581.24kb.
- Ударственными, научными и общественными организациями по анализу ситуации с загрязнением, 1224.32kb.
- Реферат на тему: пути загрязнения продовольственного сырья тяжелыми металлами, 407.26kb.
- «Химическое загрязнение почв» Общая трудоемкость дисциплины составляет, 25.84kb.
- Методика создания базы данных электронной модели рельефа. Современное состояние и экологические, 71.06kb.
- Глобальные последствия загрязнения окружающей среды, 130.02kb.
- Б. Б. Прохоров Экология человека: понятийно-терминологический, 2497.75kb.
- «Формы загрязнения природной среды. Загрязнители атмосферы, гидросферы, литосферы., 361.41kb.
- Экология и устойчивое развитие россии, 516.92kb.
- Экологические перспективы использования природных росторегуляторов для предотвращения, 394.04kb.
Кроме полевых культур, исследования проводились и на плодовых культурах. На стадии формирования корневой системы семена яблони инкубировали на растворах нитратов Pb и Ni в концентрациях 2∙10-5 М и 4∙10-5 М, что соответствует 1 и 2 ПДК металлов в почвенном растворе. Наблюдали за развитием корня и исследовали микрорельеф поверхности методом сканирующей электронной микроскопии. Свинец и никель оказывают разное токсическое действие на формирующиеся корни яблони. Визуально ионы Pb2+ не задерживают рост корня, ионы Ni2+ в концентрации 2∙10-5 М задерживают рост корней, а в концентрации 4∙10-5 М вызывают их гибель (рисунок 1).
Ni – 1 ПДК | Ni – 2 ПДК | Pb – 2 ПДК | Контроль |
Рисунок 1 – Действие различных концентраций тяжёлых металлов на проростки яблони
Детальное исследование различных зон поверхности корня в зоне деления, в зоне роста и в зоне поглощения и начала дифференциации постоянных тканей (з.п.д.) показало существенное изменение микроструктуры поверхности. В з.п.д. на контроле выявлено множественное образование корневых волосков, при концентрации Pb 1 ПДК количество корневых волосков снижается, обнаруживаются выросты, количество которых возрастает с увеличением концентрации Pb до 2 ПДК, при этом единичные корневые волоски истончаются. Содержание ионов Ni в концентрации 1 ПДК вызывает деформацию корневых волосков и образование многочисленных выростов (рисунок 2). Рассмотрение под бóльшим увеличением позволяет предположить, что выросты являются деформированными корневыми волосками, развитие которых нарушилось под действием тяжёлых металлов.
| Контроль | Pb – 1 ПДК | Pb – 2 ПДК | Ni – 1 ПДК |
Рисунок 2 – Изменение ультраструктуры поверхности корней проростков
яблони в з.п.д. под влиянием различных концентраций тяжёлых металлов
В лабораторном опыте по влиянию тяжёлых металлов на метаболитические процессы в клетках проростков полевых культур получены следующие результаты. Активность пероксидазы у гречихи под влиянием загрязнения снижается в 2…4 раза, а у гороха, имеющего значительно более активную пероксидазу, её активность изменяется в сторону снижения или повышения, независимо от места отбора проб. О-дифенолоксидаза гречихи, напротив, более стабильна, чем у гороха, где наиболее резкое снижение её активности по сравнению с контролем (40,0) наблюдается в районе, ближайшем к отвалу. Повреждение зародыша гороха, выращенного на загрязнённых почвах, связано с тем, что кадмий, медь, свинец приводят к неразвитию первичного корня и вторичных корней или к их недоразвитию, отсутствию эпикотиля или эпикотиля без верхушечной почки, а кадмий ведет также к загниванию семядолей и точки прикрепления оси проростка к семядоли.
К настоящему времени недостаточно исследованными остаются вопросы, связанные с морфологическими изменениями диких видов растений под влиянием тяжёлых металлов, и изменением в них физиологических процессов. Нами было проведено сравнительное изучение морфофизиологических показателей диких растений, произрастающих в зоне действия Думчинского шлакоотвала и на экологически более чистых территориях – балке Непрец и парке ВНИИЗБК – в качестве контроля.
Визуальное наблюдение вблизи отвала показало сильные изменения растительности в дубраве и непосредственной близости от неё. В дубраве у липы сильно редуцированы листья, на молодых деревьях наблюдается отшелушивание коры, отмечается суховершинность дубов, на деревьях отсутствуют лишайники и мох. Листья берёзы мелкие, с сильно изрезанными краями с бурыми пятнами, серым налетом, стволы деревьев искривлены.
В 800 м от отвала к югу в дальней лесополосе видимых нарушений нет, отсутствует суховершинность.
Установлено, что наиболее значительно повреждена берёза, являющая индикаторным видом, негативно реагирующая на вредные выбросы. Анатомическая характеристика листьев берёзы и дубов, произрастающих в районе Думчинского отвала, резко отличается от контрольных растений ВНИИЗБК
Площадь листовой пластинки дуба и берёзы в направлении приближения территории отвала снижается, при этом у дуба в большей степени, чем у берёзы.
Толщина листовой пластинки древесных растений, растущих в непосредственной близости к отвалу, снизилась у берёзы на 40,0% и у дуба на 44,0% по сравнению с растениями на железнодорожной станции и на 53% – по сравнению с контролем – ВНИИЗБК.
Наибольшие разрушения в синтезе или разрушении хлорофиллов отмечены в растениях берёзы и дуба, растущих в непосредственной близости к отвалу. Так, содержание хлорофилла в листьях берёзы, растущей в 50 м от отвала по хлорофиллу «а» – 2,88 мг/г, по хлорофиллу «в» – 0,56 мг/г по сравнению с данными, полученными с берёзы, растущей в районе балки Непрец (по хлорофиллу «а» – 6,84 мг/г, по хлорофиллу «в» – 2,12 мг/г). В листьях дуба тех же вариантов: в 50 м от отвала по хлорофиллу «а» – 3,49 мг/г, по хлорофиллу «в» – 1,23 мг/г в сравнении с контролем Непрец (по хлорофиллу «а» – 5,43 мг/г, по хлорофиллу «в» – 3,21 мг/г).
С удалением на юг от отвала количество хлорофиллов в листьях берёзы увеличивается на 50 мг/г, в листьях дуба – на 0,2…0,9 мг/г. Растения берёзы и дуба, растущие на значительном удалении от отвала, по содержанию хлорофиллов приближаются к контрольным растениям.
В контрольных листьях берёзы и дуба, растущих в лесопарке ВНИИЗБК, активность пероксидазы очень высокая (51,4…25,0 усл. ед.), что свидетельствует о высоком уровне метаболических процессов.
В районе отвала уровень активности пероксидазы в листьях берёзы зависит от места произрастания. Повреждения заметно сказываются на патологическом возрастании её активности от 4,0 в районе железнодорожной станции до 13,3…20,0 усл.ед. в зависимости от расстояния от отвала. Чем ближе к отвалу, тем больше возрастает активность пероксидазы.
У дуба реакция пероксидазы на воздействие среды не столь заметна и прямо противоположна. Наиболее резкое снижение активности пероксидазы отмечено в непосредственной близости к отвалу (до 2,1…3,5 усл. ед.). Видимо, защитные механизмы у дуба связаны с пероксидазой в меньшей степени, чем у берёзы.
По данным сравнительных исследований интенсивности дыхания листьев яблони, наибольшее снижение выделения листьями углекислого газа отмечено в точках с удалением от источника загрязнения: 0,8 и 1,6 км (соответственно, что в 4 и в 1,5 раза выше по сравнению с вариантом удалённости 6 км). Полученные данные по снижению интенсивности дыхания в зависимости от уровня техногенного загрязнения согласуются с установленным фактом ингибирования тяжёлыми металлами активности ферментных систем цикла Кребса (Кузнецов, Дмитриева, 2005). Оптимальным удалением от Думчинского отвала, достоверно не влияющим на процесс дыхания, оказалась точка – 3 км. Снижение интенсивности дыхания листьев на 24,6% в точке 6 км, возможно, связано с близким расположением автотрассы Москва – Симферополь – значительного источника загазованности и загрязнения ТМ.
Таким образом, можно полагать, что растения яблони, близко расположенные к источнику загрязнения, будут испытывать недостаток энергетических и пластических эквивалентов в результате ингибирования процесса дыхания.
В условиях действия неблагоприятных факторов среды в кислородпотребляющих биологических системах, как правило, усиливается образование свободных радикалов, что приводит к интенсификации процессов перекисного окисления липидов (ПОЛ) мембран и нарушению целостности структурно-функционального состояния клеток. Поэтому нами был проведён опыт с целью выявления специфики изменений гормональной и антиоксидантной системы листьев яблони в ответ на действие техногенного загрязнения.
Проведённые исследования показали, что под воздействием техногенного загрязнения в точке, удалённой от источника интоксикации на 100 м, резко (в 7,6 раза относительно контроля) снижается содержание ИУК в листьях яблони и в 3,5 раза возрастает количество АБК (рисунок 3). При удалении от источника загрязнения на 3000 м содержание ИУК в листьях снизилось в 3,3 раза относительно контроля, и в 2 раза возрос уровень абсцизовой кислоты, что свидетельствует о снижении техногенной нагрузки на исследуемые растения.
1 – контроль, 2 – 100 м, 3 – 3000 м
Рисунок 3 – Содержание индолилуксусной и абсцизовой кислот в листьях яблони в зависимости от удаления от источника техногенного загрязнения
На фоне резкого возрастания АБК и значительного снижения ИУК в листьях яблони в точке 100 м активность суммарной пероксидазы на 50,7% была ниже контроля. Однако резкий дисбаланс исследуемых нами фитогормонов, вероятно, приводит к ингибированию антиокислительных процессов. Поэтому на фоне снижения разбалансировки между ИУК и АБК в точке, удалённой от источника загрязнения на 3000 м, активность пероксидазы была ниже контроля на 19%.
Изменения в гормональном статусе и активности антиоксидантного фермента пероксидазы, вызванные разной интоксикационной нагрузкой техногенного загрязнения, в конечном итоге, сказались и на интенсивности перекисного окисления липидов мембран.
В 100 м от шлакоотвала содержание МДА в листьях растений на 73% было выше контроля (рисунок 4). При удалении на 3000 м, интенсивность процессов ПОЛ превысила этот показатель у контрольных растений на 48% на фоне увеличения активности пероксидазы (по сравнению с точкой 100 м) и меньшего дисбаланса между ИУК и АБК.
1 – контроль, 2 – 100 м, 3 – 3000 м
Рисунок 4 – Содержание малонового диальдегида в листьях яблони в зависимости от удаления от источника техногенного загрязнения
Таким образом, в результате проведённых исследований было показано, что в зависимости от разной степени удалённости растений яблони от источника техногенного загрязнения наблюдается изменение активности антиоксидантного фермента и интенсификации процессов липопероксидации биомембран на фоне нарушения баланса фитогормонов.
Оценка стабильности развития растений по показателям флуктуирующей асимметрии в условиях длительного загрязнения почв тяжёлыми металлами
Ухудшение экологической ситуации стимулирует исследователей к поиску методик, способных дать надёжную интегральную оценку качественного состояния окружающей природной среды.
Стабильность развития живых организмов является одним из перспективных показателей для оценки состояния окружающей природной среды. При этом в качестве изучаемого параметра выступает величина флуктуирующей асимметрии морфометрических признаков (доступных измерению) живых организмов.
Для определения показателей стабильности развития берёзы повислой сбор листьев выполняли в период завершения формирования листовой пластинки в десяти пунктах, на расстоянии от 10 до 2880 м от шлакоотвала. Пункты отбора проб привязывались на местности при помощи спутникового навигатора GPS Magellan eXplorist 100 в системе координат WGS-84.
Приведённые в таблице 3 сводные данные свидетельствуют о том, что по мере удаления от отвала наблюдалась тенденция повышения стабильности развития берёзы повислой по показателям флуктуирующей асимметрии.
Таблица 3 – Сводные результаты статистической обработки величины флуктуирующей асимметрии листьев берёзы повислой (со 100 учётных деревьев в районе шлакоотвала Думчинский)
| № пункта | N*, шт. | Mx ± mMx | σx | Cx, % | Px, % |
| 1 | 160 | 0,0495 ± 0,0019 | 0,0242 | 48,87 | 3,86 |
| 2 | 159 | 0,0451 ± 0,0016 | 0,0206 | 45,75 | 3,63 |
| 3 | 160 | 0,0452 ± 0,0017 | 0,0210 | 46,52 | 3,68 |
| 4 | 160 | 0,0444 ± 0,0016 | 0,0203 | 45,82 | 3,62 |
| 5 | 160 | 0,0500 ± 0,0018 | 0,0227 | 45,36 | 3,59 |
| 6 | 160 | 0,0478 ± 0,0018 | 0,0222 | 46,46 | 3,67 |
| 7 | 160 | 0,0447 ± 0,0017 | 0,0211 | 47,08 | 3,72 |
| 8 | 160 | 0,0495 ± 0,0019 | 0,0242 | 48,82 | 3,86 |
| 9 | 160 | 0,0435 ± 0,0016 | 0,0201 | 46,19 | 3,65 |
| 10 | 157 | 0,0448 ± 0,0016 | 0,0200 | 44,67 | 3,56 |
| Все | 1596 | 0,0464 ± 0,0005 | 0,0218 | 46,84 | 1,17 |
*Здесь и далее: N – количество листьев в выборках; Mx ± mMx – среднеарифметическая величина с основной ошибкой; σx ± mσ – стандартное отклонение; Cx – коэффициент изменчивости; Px – точность опыта.
Регрессионный анализ влияния на величину флуктуирующей асимметрии листьев берёзы повислой содержания в них металлов выполнен средствами MSExcel. В результате анализа переменных регрессионной модели установлено, что содержание свинца возрастает по мере удаления от отвала – по направлению к автомобильной трассе Орёл – Болхов (явное влияние автодороги), поэтому данный фактор исключен из модели. Исключены также следующие факторы: содержание в листьях цинка, меди и кобальта (значения коэффициентов указанных факторов в регрессионной модели оказались меньше стандартных ошибок их определения).
Установлена «весьма высокая» (по Чеддоку) тесная связь между величиной показателя стабильности развития берёзы повислой в районе шлакоотвала Думчинский и содержанием в листьях никеля, железа, мышьяка, марганца и хрома (в мг/100 г листьев). Показатель множественного коэффициента корреляции близок к единице (R = 0,99); коэффициент детерминации R2 = 0,98. Это свидетельствует, что более 98% общей вариации результативного признака (величины показателя стабильности развития берёзы повислой) объясняется вариацией факторных признаков (содержание в листьях указанных металлов). Можно предположить, что анализируемые факторы существенно влияют на величину показателя стабильности развития берёзы повислой, что подтверждает правильность их включения в построенную модель.
Рассчитанный уровень значимости F = 0,0017 < 0,05 подтверждает значимость полученного коэффициента детерминации.
Другим подходом к проверке значимости коэффициента детерминации является попадание расчётного критерия Фишера (F) в критическую область (F
+∞). В нашем случае левая граница правостороннего критического значения F
составляет 6,3 для 95%-го уровня значимости и 15,5 для 99%-го уровня значимости. Так как F = 39,3 попадает в критический интервал (15,5; +∞), то нулевая гипотеза (Н0: R2 = 0) отвергается, то есть коэффициент детерминации R2 признается значимым при α = 0,01.Получено следующее уравнение регрессии:
где: ФА – показатель стабильности развития берёзы повислой (рассчитан по величине флуктуирующей асимметрии листьев); Ni, Fe, As, Mn и Cr, соответственно, содержание указанных металлов в мг/100 г листьев.
Основная (стандартная) ошибка полученного уравнения регрессии составляет 0,0005 – что на два порядка меньше критических значений оценочной шкалы. Визуальное сравнение фактических и эмпирических данных (рисунок 5) свидетельствует о достаточной адекватности модели.
Рисунок 5 – Сравнение наблюдаемых и теоретических значений показателей
стабильности развития берёзы повислой в районе шлакоотвала
Анализ изменений величины показателя стабильности развития берёзы повислой по мере удаления от отвала (рисунок 6) выявил тенденцию улучшения экологического состояния окружающей природной среды (наиболее заметны изменения на расстоянии до 0,5 км). Вероятно, по мере дальнейшего удаления от шлакоотвала постепенно увеличивается влияние других факторов (например, автотрассы).
Таким образом, установлена весьма высокая тесная связь между величиной показателя стабильности развития берёзы повислой в районе шлакоотвала Думчинский и содержанием в листьях никеля, железа, мышьяка, марганца и хрома (в мг/100 г листьев). Определены параметры регрессионной модели.
Рисунок 6 – Тенденция улучшения экологического состояния окружающей
природной среды по мере удаления от шлакоотвала
Полученные значения показателей стабильности развития берёзы повислой позволили выполнить зонирование территорий, прилегающих к шлакоотвалу: «предкризисное» состояние экосистем отмечается на расстоянии до 500 м; «удовлетворительное» состояние сменяется «хорошим» на расстоянии более 1 км от отвала.
Кроме деревьев, расположенных в зоне особо сильного техногенного загрязнения, каким является Думчинский отвал, нами проводились исследования листьев берёзы повислой на территории ВНИИСПК. При этом данный тур исследований включал также и яблоню, произрастающую в окрестности Думчино, а также во ВНИИСПК
По абсолютным величинам показатель ФА у яблони оказался выше, чем у берёзы (таблица 4).
Таблица 4 – Распределение коэффициентов флуктуирующей асимметрии листьев яблони в зависимости от сорта (садовый массив ВНИИСПК)
| Сорта | Mx ± mMx | σx | Cx, % | Px, % |
| Пепин шафранный | 0,1016 0,0056 | 0,0457 | 44,96 | 5,49 |
| Штрифлинг | 0,1000 0,0071 | 0,0440 | 44,07 | 7,15 |
| Антоновка обыкновенная | 0,1171 0,0054 | 0,04664 | 39,62 | 4,61 |
| Солнышко | 0,1078 0,0064 | 0,0418 | 39,74 | 5,98 |
| Осеннее полосатое | 0,1132 0,0049 | 0,0468 | 46,42 | 4,81 |
| Память воину | 0,1054 0,0053 | 0,0504 | 47,75 | 5,01 |
| Синап орловский | 0,0929 0,0042 | 0,0414 | 44,53 | 4,50 |
| Синап северный | 0,1030 0,0044 | 0,0436 | 42,37 | 4,32 |
| Орловское полосатое | 0,1084 0,0052 | 0,0503 | 46,42 | 4,81 |
| Орлик | 0,1080 0,0046 | 0,0462 | 42,80 | 4,30 |
Распределение значений ФА листьев различных сортов яблони по кварталам, носит сглаженный, практически равномерный характер, что говорит о незначительном расхождении значений ФА в рассматриваемом районе. Видимо, сортовая специфика яблони по данным ФА-анализа не отражается на различиях в оценке стабильности развития рассматриваемых растений в данных экологических условиях.
В садовых насаждениях ВНИИСПК значения флуктуирующей асимметрии располагаются в диапазоне 0,0946...0,1163, что соответствует I...II баллам величины показателя стабильности развития растений, её связи с учитываемыми действующими стрессовыми факторами. Распределение ФА листьев изученных сортов яблони также носит сглаженный характер, что свидетельствует о незначительных изменениях коэффициентов ФА внутри сортового набора.
График изучения распределения значений ФА листьев указанных сортов яблони отражает незначительное изменение этого экологического параметра, как в сортовом, так и климатическом отношениях (рисунок 7).
| 1 | Пепин шафранный |  |
| 2 | Штрифлинг | |
| 3 | Антоновка обыкновенная | |
| 4 | Солнышко | |
| 5 | Осеннее полосатое | |
| 6 | Память воину | |
| 7 | Синап орловский | |
| 8 | Синап северный | |
| 9 | Орловское полосатое | |
| 10 | Орлик |
Рисунок 7 – Изменение значений флуктуирующей асимметрии листьев сортов яблони
Как показали результаты двухфакторного дисперсионного анализа, ни сортовая специфика (F = 1,69 < F' = 3,15) (фактор 1), ни климатические условия двух контрастных лет исследования (F = 1,29 < F' = 5,12) (фактор 2) не оказывают достоверного влияния на значения коэффициентов ФА (таблица 5). В данном случае, несмотря на разницу условий онтогенеза, а также на достаточно широкий набор сортов яблони (N = 10), мы имеем дело с интегральным (всеобщим) характером проявления результатов ФА-анализа.
Таблица 5 – Коэффициенты флуктуирующей асимметрии в листьях яблони в зависимости от удалённости растений от отвала
| Удаление от шлакоотвала | Mx ± mMx | σx | Cx, % | Px, % |
| 100 м | 0,1412 0,0090 | 0,0082 | 69,50 | 6,40 |
| 500 м | 0,1156 0,0060 | 0,0581 | 50,55 | 5,18 |
| 3000 м | 0,1198 0,0057 | 0,0557 | 46,56 | 4,78 |
| 3500 м | 0,1538 0,0098 | 0,0983 | 63,85 | 6,40 |
| 5000 м | 0,1349 0,0082 | 0,0868 | 64,35 | 6,11 |
На основании полученных расчётных значений ФА листовых пластинок яблони в зонах ГНУ ВНИИСПК и н.п. Б. Думчино создана практическая шкала балльных интервалов, отражающих нарушения стабильности развития растений при интегральном действии экологических стрессоров антропогенного происхождения. Криволинейное распределение значений ФА дает основание считать, что разбивка вариационного ряда также должна носить нелинейный характер. Диапазон расчётных данных (min = 0,0929; max = 0,1538) для удобства делили на пять равных частей, и согласно интегральной функции распределения вероятности значений коэффициентов ФА на основе способа расчёта процентилей получили границы баллов (рисунок 8).
I балл
<0,100
II балла
III балла
IV балла
V баллов
>0,159
Рисунок 8 – Интегральная функция распределения значений ФА яблони
и границы баллов
Градация величины интегрального показателя стабильности развития для данной культуры представлена в таблице 6.
В целом, настоящий подход по результатам нашей работы может использоваться для оценки состояния популяций отдельных видов растений, а также для определения качества окружающей среды. Сравнение шкал балльной оценки берёзы и яблони показало разницу в величинах числовых значений коэффициентов ФА. Если для первого вида диапазон составляет
< 0,040 ... > 0,054, то для второго – < 0,100 ... > 0,159. Заметно, что числовые значения разнятся практически в 2...3 раза. Возможно, это связано с различным уровнем эколого-генетической устойчивости дикорастущего и окультуренного видов. Снижение устойчивости культурных растений к экологическим стрессам, видимо, может способствовать более пластичному изменению морфологических параметров листа, т.е. повышать значения коэффициентов флуктуирующей асимметрии. Это соответствует фундаментальным положениям экологической генетики (Жученко, 1988, 2004).
Таким образом, сравнительный анализ данных, полученных методом определения флуктуирующей асимметрии листьев берёзы повислой, показал различие коэффициентов ФА в зонах садового массива ГНУ ВНИИСПК и н.п. Б. Думчино. Значение среднего коэффициента флуктуирующей асимметрии листа берёзы повислой ниже для садового массива ГНУ ВНИИСПК относительно окрестностей н.п. Б. Думчино (антропогенное неблагополучие).
Таблица 6 – Пятибалльная шкала оценки стабильности развития яблони
| Балл | Величина показателя стабильности развития (ФА) | Связь ФА с действующими стрессовыми факторами |
| I | < 0,100 | Норма |
| II | 0,100 ... 0,119 | Переход от нормы к загрязнению |
| III | 0,120 ... 0,139 | Загрязнение |
| IV | 0,140 ... 0,159 | Сильное загрязнение |
| V | > 0,159 | Критическое загрязнение |
На основании интегральной функции распределения коэффициентов флуктуирующей асимметрии листовых пластинок яблони десяти сортов различных зон произрастания построена пятибалльная шкала оценки стабильности развития этой культуры с отражением разной степени благополучия окружающей среды.
ФА-анализ листьев яблони показал индифферентность сортового состава к значениям коэффициентов флуктуирующей асимметрии.
Установлено падение значений коэффициентов флуктуирующей асимметрии листа яблони по мере удаления от шлакоотвала.
Анализ флуктуирующей асимметрии листьев яблони показал вероятность наличия двух различных источников экологического неблагополучия в окрестностях н.п. Б. Думчино. Один из них может быть непосредственно связан с шлакоотвалом отходов алюминиевого производства, другой – с автодорогой федерального значения Москва – Симферополь.
В целом, проведённое исследование позволяет считать яблоню индикаторной культурой для биомониторинга – системы наблюдений, оценки и прогнозирования изменения состояния популяций отдельных видов дикорастущих и культурных растений под влиянием антропогенных факторов воздействия.
Явление флуктуирующей асимметрии листа яблони в рассмотренных условиях математически достоверным образом прямо зависит от содержания меди в почве, наличия свинца в тканях листьев, а также от содержания в них абсцизовой кислоты и малонового диальдегида. Данные нашего исследования принципиально подтверждают схему связи тяжёлых металлов с флуктуирующей асимметрией листьев яблони через физиологический ферментативно-гормональный комплекс управления растительным морфогенезом.
Характеристика фитоценотических изменений в зонах техногенного
загрязнения (на примере Думчинского шлакоотвала)
Как один из методов фитоиндикации антропогенного воздействия на экосистемы используется изучение радиального прироста в древостоях.
Шлакоотвал функционирует с 1963 г., поэтому нами проведён анализ радиального прироста дуба черешчатого за 43-летний период – 1964...2007 годы.
Дендрохронологический анализ позволил выявить в ретроспективе периоды начала отрицательного воздействия на дубовые насаждения комплекса факторов, связанных со шлакоотвалом.
Существенное влияние на динамику радиального прироста дуба черешчатого комплекса факторов, в т.ч. хронического загрязнения лесных насаждений тяжёлыми металлами из шлакоотвала, установлено на расстояние до 200 м.
Анализ динамики среднего периодического радиального прироста в пятилетиях показал, что шлакоотвал по уровню воздействия достиг опасного порога в 1983...1987 гг., спустя 20 лет после создания и стал оказывать отрицательное воздействие на рост деревьев дуба черешчатого в толщину, что вызвало нарушение биологической устойчивости насаждений.
Парадоксальное усиление радиального прироста у модельных деревьев дуба черешчатого на расстоянии 10 м от шлакоотвала в последние 20 лет (1988...2007 гг.) можно объяснить деструктивными процессами в древостоях. Отпад деревьев, разреживание древесного яруса улучшили световой режим для оставшихся деревьев, что привело к повышению интенсивности фотосинтеза у них и, как следствие – к усилению роста в толщину.
Наиболее низкий уровень изменчивости текущего радиального прироста деревьев дуба черешчатого установлен на расстоянии до 200 м от шлакоотвала в последние 20 лет (1988...2007 гг.). Происходит выравнивание популяции по интенсивности роста деревьев в толщину за счет воздействия мощного фактора неклиматической природы.
Дендрохронологический анализ, в основном, применяется в лесоводственных исследованиях при изучении роста лесообразующих древесных растений (сосны, ели, дуба, лиственницы и других), имеющих значительную продолжительность жизни (более 100 лет). Использован дендрохронологический метод для изучения динамики роста в толщину яблони домашней. У яблони рассеяннососудистая древесина, переход от ранней древесины к поздней постепенный. Граница годичного слоя выражена и составлена из узкой полоски сплюснутых в радиальном направлении волокнистых трахеид, поэтому годичные слои видны на поперечном срезе.
На шести учётных пунктах, расположенных на различном удалении от шлакоотвала, в октябре 2007 г. возрастным буравом Пресслера были взяты керны древесины ствола на высоте 1,3 м у пятнадцати модельных деревьев (по пять у каждого из трех сортов: Антоновка обыкновенная, Осеннее полосатое, Пепин шафранный). Ближайший к шлакоотвалу учётный пункт расположен на расстоянии около 1 км. Количество годичных колец в кернах древесины варьирует от 30 до 40, поэтому анализ текущего радиального прироста проведён за 30-летний период (1978...2007 гг.). Использование дендрохронологического метода не позволило установить достоверного влияния хронического загрязнения садовых насаждений тяжёлыми металлами шлакоотвала на динамику радиального прироста изученных сортов яблони на расстоянии более 1 км от источника выбросов. Среди причин этого: ярко выраженный возрастной тренд, периодичность плодоношения, агротехнические уходы и уход за кронами деревьев.
Установлена лишь тенденция увеличения интенсивности роста по радиусу ствола у яблони домашней в последние 10 лет (1998...2007 гг.) по мере удаления от шлакоотвала.
Разные сорта яблони имеют различную устойчивость к хроническому загрязнению тяжёлыми металлами. Наименьшей устойчивостью характеризуется сорт Антоновка обыкновенная, у которого зафиксирована тесная отрицательная связь минимумов годичного прироста в исследованном 30-летнем периоде (1978...2007 гг.) с удалённостью от шлакоотвала.
По мере приближения к шлакоотвалу увеличивается амплитуда колебания радиального прироста у изученных сортов яблони по годам в исследованном 30-летнем периоде (1978...2007 гг.), что проявляется в увеличении соотношения между максимальными и минимальными величинами годичного прироста на учётных пунктах.
Фитоиндикация, т.е. использование растительности как индикатора условий среды, выгодно отличается сравнительно быстрым получением информации по признакам растения.
Выявление флористического видового состава – основа всех ботанических исследований. Изучение флористического состава проводилось на стационарных пробных площадях размером 30 30 м.
Фитоиндикационные исследования проведены на стационарных пробных площадях. Растительные сообщества в лесном массиве в районе шлакоотвала относительно однородны, представлены ассоциациями класса Querco-Fagetea (мезофитные и мезоксерофитные широколиственные листопадные леса на богатых почвах в зоне умеренного климата), порядка Fagetalia sylvaticae (европейские мезофитные широколиственные леса). Данные ассоциации относятся к дубнякам снытевым. Это позволяет выявить изменение видового состава травяно-кустарничкового яруса фитоценозов под влиянием хронического загрязнения тяжёлыми металлами.
Характерными являются 9...14 неморальных видов, отличающихся V классом постоянства – встречаемость 81...100% (осока волосистая, яснотка пятнистая, гравилат городской), IV классом постоянства – встречаемость 61...80% (сныть обыкновенная, пролесник многолетний, копытень европейский, медуница неясная, будра плющевидная, чина весенняя, щитовник мужской, купена лекарственная), III классом постоянства – встречаемость 41...60% (звездчатка жестколистная, щитовник Картузиса, лютик кашубский, чистец лесной).
На расстоянии до 300 м от шлакоотвала наблюдается сукцессия живого напочвенного покрова: к характерным неморальным видам добавляются луговые (злаки) и рудеральные виды (малина, ежевика сизая, крапива двудомная), поэтому видовое разнообразие возрастает до 20...25 видов. При этом в целом сокращается обилие и проективное покрытие всех видов, включая доминантные характерные неморальные виды (например, осока волосистая). Происходит даже выпадение некоторых характерных видов: так, лютик кашубский не зафиксирован на расстоянии до 0,7 км от шлакоотвала.
В зоне 300 м от шлакоотвала отмечено почти двойное увеличение видового разнообразия травяно-кустарничкового яруса – от 20 видов (0,1 км) до 25 (0,3 км) по сравнению с ненарушенными растительными сообществами – от 9 видов (0,7 км) до 14 видов (1,2 км). Однако при этом сократилось проективное покрытие, которое определяли расчётным способом с использованием шкалы Ж. Браун-Бланке и переводных коэффициентов (в %) к ней.
Наименьшее проективное покрытие травяно-кустарничкового яруса зафиксировано на самых близких к шлакоотвалу участках (0,15 км) – 3,2% и 0,1 км – 10,7%. Несколько выше оно на расстоянии 0,3 км – 20,2%, но при этом снижено, более чем в 2 раза по сравнению с ненарушенными насаждениями. Косвенно проективное покрытие травяно-кустарничкового яруса связано с продуктивностью. Поэтому можно сделать вывод о снижении продуктивности травяно-кустарничкового яруса в дубравах на расстоянии до 300 м при хроническом загрязнении почвы тяжёлыми металлами.
Итак, фитоиндикационные методы позволяют оценить влияние хронического загрязнения почвы тяжёлыми металлами на лесные экосистемы.
На расстоянии до 300 м от шлакоотвала закономерно уменьшается проективное покрытие и, как следствие, биологическая продуктивность травяно-кустарничкового яруса. На этом фоне активизируются сукцессионные процессы, идёт увеличение видового разнообразия за счет нехарактерных луговых и рудеральных видов, выпадение характерных неморальных видов в связи с изменением светового режима в растительных сообществах из-за деструкции древесного яруса дубняков.
Лютик кашубский (Ranunculus cassubicus) можно считать видом-индикатором деструкции дубравных экосистем под действием комплекса антропогенных факторов, в т.ч. хронического загрязнения тяжёлыми металлами. Он имеет наименьшую устойчивость к изменению светового режима в насаждениях вследствие более высокой чувствительности к этому фактору.
Метод лихеноиндикации отличается высокой чувствительностью к околофоновым уровням загрязнения атмосферы, позволяя довольно точно определять границы распространения промышленных выбросов. Применение метода в комплексе с параметрами других компонентов биогеоценоза позволяет дать оценку состояния окружающей среды вблизи источников техногенного загрязнения.
Хроническое загрязнение тяжёлыми металлами растительных сообществ широколиственных листопадных лесов оказало существенное влияние на травяно-кустарниковый ярус на расстоянии до 300 м от объекта воздействия – шлакоотвала.
Методы лихеноиндикаци позволили выявить значительное аэротехногенное воздействие на элементы биогеоценозов урочища. Детальное обследование видового состава и распространения эпифитных лихеносинузий на стволах деревьев позволило провести зонирование территории (таблица 7).
Как видно из таблицы, по мере удаления от шлакоотвала изменяются показатели состояния лихеносинузий в сторону увеличения. Встречаемость накипных форм лишайников возрастает от 28% в 300 м от объекта, до 88% на самом удалённом участке (1,9 км). Средняя длина района поселения также увеличивается, в среднем от 0,9 до 2,5 м. Однако следует отметить, что эти показатели получены как средние для липы и дуба. Встречаемость, средняя протяженность по стволу и проективное покрытие лишайниками на высоте 1,3 м у липы значительно выше, чем у дуба. Поэтому зону сильного воздействия можно назвать «лишайниковой пустыней». На расстоянии 500...700 м существенно возрастают встречаемость лишайников – до 60...72%, протяженность по стволу – до 1,5 м, проективное покрытие – до 12%, в среднем 4,5...6,3%. На расстоянии 900 м и более все показатели значительно возрастают, особенно проективное покрытие – до 22,5%. Для сравнения, в контроле все основные показатели оказались выше, чем в зоне слабого воздействия.
Таблица 7 – Характеристика лишайниковых синузий в районе исследований
| № ПП | Квартал Выдел | Расстояние до объекта воздействия, м | Встреча-емость, % | Средняя длина района поселения, м | Среднее покрытие на высоте 1,3 м накипных лишайников, % | ||||
| север | восток | запад | юг | среднее | |||||
| Зона сильного воздействия (I) | |||||||||
| 5 | 6 1 | 100 | 40 | 0,9 0,3...1,2 | - | - | - | - | - |
| 1 | 6 2 | 150 | 36 | 1,0 0,4...1,6 | 2 | 1 | - | - | 0,75 |
| 4 | 4 19 | 300 | 28 | 0,8 0,3...1,1 | - | - | - | - | - |
| Зона среднего воздействия (II) | |||||||||
| 3 | 4 20 | 700 | 60 | 1,4 0,5–2,2 | 8 | 3 | 5 | 2 | 4,5 |
| 6 | 6 10 | 900 | 72 | 1,5 0,4–2,4 | 12 | 3 | 6 | 4 | 6,3 |
| Зона слабого воздействия (III) | |||||||||
| 2 | 4 17 | 1000 | 80 | 2,1 0,6–3,5 | 17 | 10 | 17 | 22 | 16,5 |
| 9 | 7 12 | 1900 | 92 | 2,2 0,5–3,3 | 12 | 17 | 15 | 8 | 13,0 |
| 7 | 5 13 | 1200 | 84 | 2,1 0,6–3,5 | 34 | 23 | 19 | 14 | 22,5 |
| 8 | 7 7 | 1300 | 88 | 2,5 0,5–3,7 | 20 | 10 | 28 | 16 | 18,5 |
| Контроль | |||||||||
| 10 | 26 12 | 30 км | 96 | 3,3 0,5–4,5 | 32 | 22 | 50 | 26 | 32,5 |
Таким образом, состояние эпифитных лихеносинузий позволяет провести зонирование территории урочища. При этом возможно выделение трех зон: зона сильного воздействия; зона среднего воздействия и зона слабого воздействия.
В условиях длительного техногенного воздействия остро встаёт вопрос о сукцессионных процессах в лесных сообществах. Поэтому влияние шлакоотвала на естественное возобновление древесных пород представляет особый интерес.
Анализ распределения густоты подроста (рисунок 9) показал, что естественное возобновление тем лучше, чем дальше древостой произрастает от шлакоотвала. Эта зависимость выражена уравнением прямой y = 6,7209x - 725,88 с точностью R2 = 0,7357.
Рисунок 9 – Изменение густоты подроста в зависимости от удаления от шлакоотвала
Густота подлеска (рисунок 10) уменьшается по мере удаления от шлакоотвала и описывается уравнением параболы y = -4E - 06x3 + 0,0196x2 - 32,53x + 17434 с точностью R2 = 0,9564
Рисунок 10 – Изменение густоты подлеска в зависимости от удаления от шлакоотвала