На правах рукописи Андреева Мария Владимировна ОЦЕНКА

На правах рукописи
Андреева Мария Владимировна
ОЦЕНКА СОСТОЯНИЯ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ В НАСАЖДЕНИЯХ В ЗОНАХ
ПРОМЫШЛЕННЫХ ВЫБРОСОВ С ПОМОЩЬЮ РАСТЕНИЙ-ИНДИКАТОРОВ
06.03.03 – Лесоведение и лесоводство, лесные пожары и борьба с ними
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата сельскохозяйственных наук
Санкт-Петербург 2007
Работа выполнена на кафедре лесного хозяйства Новгородского государственного университета
имени Ярослава Мудрого
Научный руководитель
Официальные оппоненты:
Ведущая организация
доктор сельскохозяйственных наук, профессор
Никонов Михаил Васильевич
доктор сельскохозяйственных наук, профессор
Мартынов Алексей Николаевич
доктор биологических наук, профессор
Ярмишко Василий Трофимович
Комитет по охране окружающей среды и природных ресурсов
Новгородской области
Защита состоится «12» ноября 2007 года в 14 часов на заседании диссертационного совета
Д 212.220.02 при Санкт-Петербургской государственной лесотехнической академии имени
С. М. Кирова в зале Ученого совета по адресу: 194021, Санкт-Петербург, Институтский пер., 5,
главное здание, зал заседаний.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургской государственной
лесотехнической академии им. С. М. Кирова.
Автореферат разослан «10» октября 2007 г.
Ученый секретарь
диссертационного совета, доктор
сельскохозяйственных наук,
профессор
Маркова И. А.
2
ВВЕДЕНИЕ
Актуальность темы. Среди экологических факторов, оказывающих наибольшее воздействие
на состояние и продуктивность лесов, большинство исследователей отмечает загрязнение
экосистем химическими веществами техногенного происхождения.
Проявление антропогенного загрязнения территории обычно продолжается в течение многих
десятилетий. В связи с этим актуальность исследований по проблеме контроля и разработке
методов оценки состояния окружающей среды в насаждениях является вполне очевидной.
К настоящему времени накопилось достаточно информации об индикационной роли древесных
растений. Прежде всего, это связано с воздействием загрязняющих веществ на листовой аппарат,
благодаря способности листьев осаждать из воздуха наибольшее количество примесей.
Биоиндикационные методы оценки состояния окружающей среды позволяют проводить
интегральную оценку «здоровья среды», под которой в самом общем смысле понимается
состояние (качество) среды, необходимое для обеспечения здоровья человека и других видов
живых существ.
Важными, на наш взгляд, являются изучение механизмов адаптации лесных экосистем к
неблагоприятным внешним условиям, проведение мониторинга в целях выявления признаков
снижения устойчивости.
Цель и задачи исследований. Целью работы явилось изучение основных показателей
морфологии и архитектоники древесных растений и разработка на этой основе методов оценки
состояния окружающей среды в насаждениях с помощью растений-индикаторов.
Основные задачи исследований:
1. Выбор растений-индикаторов.
2. Определение показателей морфологии и архитектоники, которые могут использоваться в
качестве параметров индикации.
3. Апробация методов оценки состояния окружающей среды в насаждениях с помощью
биоиндикационных методов.
4. Разработка практических рекомендаций по применению метода биоиндикации для оценки
состояния окружающей среды в насаждениях.
Научная новизна. В результате многолетних исследований впервые проведен анализ
морфологических показателей листовых пластинок Acer platanoides L. и Populus tremula L. в зоне
действия Боровичского комбината огнеупоров и Угловского известкового комбината. В результате
анализа установлены коэффициенты асимметрии вершины листовой пластинки Populus tremula L.
в зависимости от уровня загрязнения атмосферы.
В ходе работы выявлена возможность использования центральной (четвертой - у
семилопастных или третьей - у пятилопастных) лопасти листа Acer platanoides L. в качестве
параметра индикации.
Практическая значимость работы. Разработанные методы количественной оценки
изменений морфологического строения листьев у древесных растений могут иметь практическое
значение для специалистов лесного хозяйства при оценке результатов лесохозяйственных
мероприятий, проводимых в зоне воздействия промышленных выбросов.
Материалы диссертации включены в программы дисциплин «Дендрология», «Лесоведение»,
«Методы экологических исследований» в Новгородском государственном университете.
Результаты проведенных исследований использовались при оценке экологического состояния
заповедных зон (ядер) для придания НП «Валдайский» статуса биосферного резервата.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы были представлены на
научных конференциях: Великий Новгород, 2001, 2002; Пущино Московской области, 2001, 2002;
на региональной общественно-научной конференции с международным участием (Псков, 2004); на
региональной научно-практической конференции, посвященной 15-летию НП "Валдайский"
(Валдай, 2005).
Публикации. По результатам исследований опубликовано 17 печатных работ (12 статей, 5
тезисов).
3
Декларация личного участия автора. Разработка программы и методики исследований,
выполнение полевых наблюдений и отбор образцов растений для лабораторных анализов,
систематизация и интерпретация экспериментальных данных и литературных материалов
осуществлялись лично автором. Основные итоги проведенных совместно с другими авторами
комплексных исследований опубликованы и приводятся в диссертации с соответствующими
ссылками.
Основные положения, выносимые на защиту. Выявлены параметры индикации:
•
площадь листовой пластинки Acer platanoides L. и Populus tremula L. в условиях
техногенного загрязнения;
•
число устьиц и расположение главных жилок на поверхности листа Acer platanoides L. как
индикационные признаки;
•
степень деформации центральной лопасти листа у Acer platanoides L.;
•
изменение формы листовой пластинки Populus tremula L. в зависимости от уровня
загрязнения;
•
асимметрия вершины листа Populus tremula L. на контроле и на территориях, подверженных
техногенному загрязнению.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 7 глав, выводов, практических
рекомендаций, списка литературы и 4 приложений. Ее объем составляет 163 страницы, содержит
31 таблицу и 32 рисунка. Список литературы оформлен на 20 страницах и включает 189
наименований, в том числе 17 - на иностранных языках.
*
Автор выражает благодарность доктору сельскохозяйственных наук Никонову Михаилу
Васильевичу и кандидату сельскохозяйственных наук Семчуку Николаю Николаевичу за помощь,
оказанную при работе над диссертацией, директору Государственного учреждения Национального
парка «Валдайский» Жданову Георгию Михайловичу и заместителю директора по науке
Рогоцкому Виктору Васильевичу за помощь в организации полевых исследований, заместителю
начальника Государственного учреждения «Новгородский областной Центр по гидрометеорологии
и мониторингу окружающей среды», начальнику комплексной химической лаборатории Сморжок
Вере Григорьевне и коллективу работников Валдайского филиала государственного
гидрологического института за предоставленные информационные материалы, Ильиной Елене
Владимировне, учительнице Валдайской муниципальной общеобразовательной школы № 1 имени
Аверина за помощь в проведении полевых работ.
Цитируемые или обсуждаемые материалы других авторов имеют соответствующие ссылки.
Отдельная благодарность моим родителям за понимание, неоценимую помощь, поддержку на
всех этапах работы над диссертацией.
ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА
1.1. Биоиндикация - приоритетный метод в системе современного экологического
мониторинга
В настоящее время, в связи с интенсивным воздействием человека на природу, резко повысился
интерес общества к состоянию окружающей среды насаждений в зонах промышленных выбросов.
Методы биологической индикации являются одними из самых актуальных и интенсивно
разрабатываемых в промышленно развитых странах (Биоиндикация, 1991; Булохов, 1996; Быков,
2002; Деева, 1992; Ильина, 2001; Луговской, 2004; Сазонова, 2005; Семенов, 2004; Федорова, 1999,
2001, 2002; Хмелев, 2003; Шунелько, 1998; Ярмишко, 1994; Feder, 1979; Schubert, 1982).
Из большого разнообразия растений были выбраны клен платановидный и тополь дрожащий.
Во-первых, осина является одной из наиболее распространенных древесных пород в лесной
зоне, в том числе Новгородской области, а клен остролистный составляет основной аспект зеленых
насаждений городов.
4
Во-вторых, данные древесные растения в разных зонах Европейской России, сопредельных
территорий и стран являются наиболее чувствительными биоиндикаторами (Кулагин, 1974;
Федорова, 2002).
Нарушение морфологии листьев Acer platanoides L. и Populus tremula L. исследователи
отмечали неоднократно (Газоустойчивость растений, 1980; Илькун, 1987; Никонов, 2003;
Сергейчик, 1984).
В-третьих, эти древесные породы, обладающие высокой поглотительной способность
(Федорова, Никольская, 2001), широко используются для озеленения промышленных площадок.
1.2. Биологические, экологические свойства Acer platanoides L. и Populus tremula L.
Клен остролистный, или платановидный - Acer platanoides L. Пластинка 50–170 мм длины и 80–
220 мм ширины, в очертании почти округлая, 5–7-лопастная (Аксенова, 1975; Алексеев и др., 1997;
Иллюстрированное руководство…, 1997; Федоров и др., 1956).
Осина, или тополь дрожащий - Populus tremula L. Пластинка листа в очертании округлая,
овальная, округло-дельтовидная, по краям выемчатая (Иллюстрированное руководство…, 1997;
Федоров и др., 1956), в основании клиновидная или слегка опушенная, позже голая (Алексеев и
др., 1997).
ГЛАВА 2. ПРОГРАММА, МЕТОДИКА, ОБЪЕКТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ОБЪЕМ ВЫПОЛНЕННЫХ РАБОТ
2.1. Программа исследований
В программу работ были включены следующие вопросы:
1. Проанализировать основные источники промышленных выбросов в Новгородской области.
2. Определить основные показатели морфологии и архитектоники листовых пластинок Acer
platanoides L. и Populus tremula L. в Национальном парке «Валдайский» как фоновой территории.
3. Оценить влияние светового фактора на количественные изменения морфологического
строения листьев и формирование побегов у Acer platanoides L. и Populus tremula L.
4. Выявить особенности основных показателей морфологии и архитектоники листьев для
растений-индикаторов в условиях техногенного загрязнения.
5. Обосновать возможность использования исследуемых растений-индикаторов для оценки
состояния окружающей среды в насаждениях.
2.2. Методика проведения исследований
Первый вопрос программы посвящен анализу основных источников промышленных
выбросов в Новгородской области.
Для определения степени загрязнения листьев Acer platanoides L. пылью в период летней
вегетации в контрольных и загрязненных районах отбирали пробы растительного материала в 10–
15-кратной повторности.
При отборе объединенных почвенных проб использовали метод маршрутных ходов
(Методические указания…, 2003).
По второму вопросу программы: названия видов растений даны на основании сводки
«Определитель сосудистых растений Северо-Запада России (Ленинградская, Псковская и
Новгородская области)» (Цвелев, 2000).
Сбор материала проводили согласно рекомендациям рижских ученых (Исаков и др., 1984).
Материал собирали с деревьев, не подвергавшихся обрезке ветвей, в конце естественного
вегетационного периода. Расчет необходимого количества образцов (листьев) определяли с
точностью до 5% (Жигунов и др., 2002).
Собранный материал измеряли с помощью компьютера по специально подготовленным
программам EditPoints (для Acer palatanoides L.) и LeafScale (для Acer platanoides L., Populus
tremula L.) (Семчук и др., 2004а, Семчук и др., 2004б).
5
Для определения площади листовой пластинки у деревьев Acer platanoides L. и Populus
tremula L. использовали модификацию весового метода, разработанного Л. В. Дорогань (по
Федоровой, Никольской, 2001).
При выполнении исследований по теме диссертации совместно с лабораторией
экспериментальной ботаники Новгородского государственного университета (НовГУ) были
разработаны и использованы методы:
• Способ оценки качества окружающей среды: в качестве параметра индикации используют
строение центральной (четвертой у семилопастных или третьей – у пятилопастных образцов)
лопасти листовой пластинки. Количественный параметр индикации рассчитывают по разности
между шириной в основании центральной лопасти листа и ее шириной в верхней части.
Превышение параметром индикации нулевого уровня показывает на высокий уровень
загрязнений. При низком уровне загрязнения или отсутствия такового данный показатель
представлен отрицательной величиной.
• Числовой способ определения асимметрии вершины простого цельного листа.
Определяется ось листа (соединяются точки основания листа «точка прикрепления черешка» и
вершина листовой пластинки). В левой верхней части от края листовой пластинки проводят
перпендикуляр к оси листа. Длина полученного отрезка должна быть равна 1/3 части
максимальной ширины листовой пластинки. То же делают с правой верхней стороны листа.
Определяют расстояние между точками соединения указанных перпендикуляров с осью листовой
пластинки. Рассчитывают отношение полученной величины к максимальной ширине листовой
пластинки и используют его в качестве коэффициента асимметрии (Ка) вершины листа.
Ка = b / Х
где:
b - расстояние между точками соединения перпендикуляров с осью листа, равных каждый 1/3
максимальной ширины листовой пластинки, и проведенных от левого и правого краев листа в его
верхней части;
Х – максимальная ширина листа.
При проработке третьего вопроса программы замеры освещенности проводили люксметром
Ю116.
Фенологические наблюдения проводились на территории НП «Валдайский» в течение апрелясентября с интервалом в одну неделю.
В работе использованы известные биометрические методы изучения морфологии и
архитектоники побега (Клейн Р. М., Клейн Д. Т., 1974; Корона, Князев, 1976; Серебряков, 1962;
Серебрякова, 1972, 1977; Хржановский, 1969; Belle и др., 1979; Hinoyo и др., 1971; Sattler, 1974).
Четвертый вопрос программы: в качестве загрязненных опытных участков были выбраны
ОАО «Боровичский комбинат огнеупоров» и АООТ «Угловский известковый комбинат», далее
БКО и УИК.
При изучении и оценке воздействий промышленного атмосферного загрязнения на лесные
экосистемы пробные площади (ПП) располагались на различном удалении от источника
загрязнения.
Коэффициент удлиненности (K) определялся как отношение длины листовой пластинки (A) к
ее ширине (B) (Алгоритм изучения…, 2002; Абашидзе, 1974; Васильев, Ростова, 1977; Исаков и
др., 1984; Кузьмин и др., 2001).
Превышение коэффициентом удлиненности листа Populus tremula L. единичного уровня
показывает на низкий уровень загрязнения или отсутствия такового. При высоком уровне
загрязнения показатель удлиненности был ниже единицы.
При определении величины взаимного расположения главных жилок на поверхности листовой
пластинки Acer platanoides L. использовали методику Гелашвили (Гелашвили и др., 2004).
Количество устьиц на поверхности листьев Acer platanoides L. подсчитывалось под
микроскопом PZO WARSZAWA при последовательном перемещении окуляра от края к оси листа.
Препараты готовились по методу нанесения на лист пленок коллодия (Steinhübel, 1962).
Исследования проводились на нижнем эпидермисе.
6
Для установления числовых значений разных по конфигурации форм листовых пластинок
Populus tremula L. нами использован прием определения «индекса формы листовой пластинки»
(А. С. 1530140, Буданцев, Гендельс, 1991).
По пятому вопросу программы при апробации разработанной методики «Способ оценки
окружающей среды» проведено обследование качества природной среды лесных массивов НП
«Валдайский» и в зоне хронического аэротехногенного загрязнения (ОАО «Акрон»).
Разработаны практические рекомендации по использованию формы центральной лопасти листа
Acer platanoides L. как индикационного признака в условиях уличных посадок городских
экосистем.
2.3. Характеристика экспериментальных объектов
Исследования фитоценозов проводились на территории четырех районов Новгородской
области - Валдайского, Боровичского, Окуловского и Новгородского.
Контрольные ПП заложены на территории НП «Валдайский», расположены в благоприятных
по экологическим характеристикам участках, в значительном удалении от городских источников
атмосферного загрязнения и мест массового отдыха:
1. Валдайский район, Дворецкое лесничество, 58 кв., 67 кв., 68 кв.;
2. Валдайский район, Борское лесничество, 5 кв.;
3. Валдайский район, Новотроицкое лесничество, 56 кв.
ПП на участках, подверженных действию промышленных выбросов, были заложены в зоне
действия: БКО, УИК, ОАО «Акрон».
Подробное описание исследованных участков приводится в диссертации.
2.4. Объем выполненных работ
Объем работ характеризуется следующими основными показателями:
- по литературным источникам, материалам лесоустройства и собственным исследованиям дана
краткая характеристика объектов исследований;
- экспериментальные данные получены на 155 ПП площадью 51,6 га, где выполнены работы по
таксации древостоев и других ярусов растительности;
- на основе обзоров «Состояние окружающей природной среды…» проанализированы
основные источники промышленных выбросов;
- проведен химический анализ 36 почвенных образцов, взятых на разных по уровню
загрязнения атмосферы участках в период с 2003 по 2004 год;
- фенологические наблюдения у древесных пород Acer platanoides L. и Populus tremula L.
проводились с апреля по июль до полного формирования листовых пластинок;
- определены показатели морфологии и архитектоники листьев на территории НП
«Валдайский» у 4215 образцов (листьев) Acer platanoides L., 3993 - Populus tremula L.; в зонах
промышленного загрязнения – у 1425 и 1725 образцов соответственно.
ГЛАВА.3. ЕСТЕСТВЕННО-ИСТОРИЧЕСКИЕ И ПРИРОДНО-КЛИМАТИЧЕСКИЕ
УСЛОВИЯ РАЙОНА ИССЛЕДОВАНИЙ
В главе приводятся данные о географическом положении Новгородской области, характере
рельефа, почвах, климате. Приводятся данные о современной характеристике лесного фонда
района исследований.
ГЛАВА 4. АНАЛИЗ ОСНОВНЫХ ИСТОЧНИКОВ ПРОМЫШЛЕННЫХ ВЫБРОСОВ В
НОВГОРОДСКОЙ ОБЛАСТИ. МОНИТОРИНГ ПОЧВЕННОГО ПОКРОВА
4.1. Динамика основных источников промышленных выбросов в Новгородской области
Экологическое состояние атмосферного воздуха Новгородской области отражает таблица 1.
7
Таблица 1
Динамика поступления загрязняющих веществ в атмосферный воздух Новгородской области от
стационарных источников и автотранспорта
Источники
загрязнения
1999
тыс.
%
тонн
2000
тыс.
%
тонн
2001
тыс.
%
тонн
2002
тыс.
%
тонн
2003
тыс.
%
тонн
2004
тыс.
%
тонн
Всего по
107,7 100 106,0 100 107,6 100 109,9 100 112,0 100 115,0 100
области
в т.ч.
стационарные 52,4 48,7 53,6 50,6 52,1 48,4 51,4 46,8 51,5 46,0 53,9 46,8
источники
автотранспорт 55,3 51,3 52,4 49,4 55,5 51,6 58,5 53,2 60,5 54,0 61,1 53,2
Основной вклад в выбросы от стационарных источников вносят предприятия Великого
Новгорода – 21,6%, Крестецкого района – 18,8%, г. Боровичи – 10,2%, Окуловского района – 7,9%
(Состояние окружающей природной среды…, 2006).
Из таблицы 2 видно, что количество выбросов вредных веществ в атмосферу в 2004 году по
сравнению с 2000 годом от ОАО «Акрон» увеличилось на 0,6 тыс. т (13,95%), от БКО сократилось
на 0,1 тыс. т (4%), от УИК сократилось на 0,9 тыс. т (23,68%) (Состояние окружающей природной
среды…, 2002; Состояние окружающей природной среды…, 2006).
Таблица 2
Характеристика промышленных предприятий
№
n/n
Наименование
предприятия
1
ОАО «Акрон»
2
АООТ «Угловский
известковый
комбинат»
3
ОАО «Боровичский
комбинат
огнеупоров»
Вид экономической
деятельности
Химическое
производство
Производство
прочих
неметаллических
минеральных
продуктов
Производство
прочих
неметаллических
минеральных
продуктов
2000
Валовый выброс, тыс. тонн/год
2001
2002
2003
2004
4,3
5,1
5,9
5,1
4,9
3,8
3,5
3,0
3,5
2,9
2,5
2,0
1,8
2,0
2,4
К наиболее распространенным газообразным антропогенным загрязнителям лесов
Новгородской области относятся: окислы серы, углерода, азота, кислотные осадки, образованные
серной и азотной кислотами.
Кроме того, значительное влияние на экологическое состояние воздуха в зоне исследований
оказывает пыль, образующаяся при выбросах промышленных предприятий.
4.2. Определение загрязнения окружающей среды пылью по ее накоплению на листовых
пластинках растений
На территории БКО за 2002–2004 гг. средний показатель количества накопившейся на листьях
Acer platanoides L. пыли составил 0,000060 мг/дм², для территории УИК средний показатель
накопившейся на листьях пыли составил 0,000063 мг/дм².
В промышленных районах средние показатели запыленности листьев Acer platanoides L.
примерно в 30 раз превышали значения, полученные для территории НП «Валдайский».
8
4.3. Сравнительный анализ химических данных почвенных образцов фоновой и
загрязненных территорий
Количество промышленных выбросов увеличилось в 2004 году по БКО в результате
увеличения объема выпуска продукции. Это не могло не повлиять на состояние флоры и фауны. В
2004 году pH почвы по БКО увеличилась до 6,9, тогда как в 2003 году она была равна 6,4.
На загрязненных территориях (УИК, БКО) почвы имеют нейтральную или слабощелочную
реакцию (pH 6,7 до 7,3). В профилактической зоне показатели pH почвы снижаются по сравнению
с зоной сильного влияния: на расстоянии 5 км от УИК pH составляет 6,3, а в 6 км от БКО - 5,8.
На участках с объективно загрязненной территорией почвы отличаются высокой степенью
насыщенности основаниями. У почвенных образцов с УИК средняя величина суммы поглощенных
оснований по двум годам составила 48,4 мг/экв-100 г, у почвенных образцов с БКО - 49,8. На
территории НП «Валдайский» этот показатель был 21,3 мг/экв-100 г.
ГЛАВА 5. МОРФОЛОГИЯ И АРХИТЕКТОНИКА ЛИСТЬЕВ И ФОРМИРОВАНИЕ
ПОБЕГОВ ACER PLATANOIDES L. И POPULUS TREMULA L. НА ФОНОВОЙ
ТЕРРИТОРИИ
Площадь листа,
кв. мм
С целью оценки пригодности использования территории НП "Валдайский" в качестве контроля
для сравнения с загрязненными территориями мы провели анализ морфологических показателей у
листовых пластинок Acer platanoides L. и Populus tremula L., полученных с ПП лесничеств НП
«Валдайский».
При помощи компьютерной программы LeafScale получен ряд изменчивости площади листа
Acer platanoides L. для растений, произрастающих на территории НП "Валдайский" (рис. 1).
6000
5000
4000
3000
2000
1000
0
58 кв.
Дворецкое
лесничество
56 кв.
5 кв. Борское
Новотроицкое лесничество
лесничество
2002
2003
67 кв.
Дворецкое
лесничество
68 кв.
Дворецкое
лесничество
2004
Рис. 1. Показатели площади листьев Acer platanoides L. в различных зонах территории НП
«Валдайский»
Максимальные значения площади листовой пластинки Acer platanoides L. в 2002 году
отмечены в 58 кв. Дворецкого лесничества, минимальные значения - 68 кв. Дворецкого
лесничества.
Вычисленный t-критерий для двух данных выборок не показал различий на 5%-ном уровне
значимости.
Исследование формы центральной лопасти листьев Acer platanoides L. на территории НП
«Валдайский» по методике «Способ оценки качества окружающей среды» показало одинаковую
тенденцию в конструкции лопасти - сужение граней лопасти от периферии листовой пластинки к
ее центру.
В 2002 году минимальный показатель сужения отмечен в 5 кв. Борского лесничества и 56 кв.
Новотроицкого лесничества (-1,5 мм), максимальный - в 68 кв. Дворецкого лесничества (-2,2 мм).
9
В 2003 году минимальный показатель сужения отмечен на участке 56 кв. Новотроицкого
лесничества (-0,4 мм), максимальный – 67 кв. Дворецкого лесничества (-1,6 мм).
В 2004 году минимальный показатель сужения отмечен на территории 58 кв. Дворецкого
лесничества (-0,9 мм), максимальный – 68 кв. Дворецкого лесничества (-2,36 мм).
Статистическая обработка данных между выборками по годам не показала достоверных
различий на 5%-ном уровне значимости.
Используя разработанную на кафедре экспериментальной ботаники НовГУ методику
«Числовой способ определения асимметрии вершины простого цельного листа», мы получили
значения коэффициента асимметрии вершины листовых пластинок Populus tremula L., собранных с
ПП лесничеств НП «Валдайский» (табл. 3).
Статистическое сравнение значений между выборками по годам не показало достоверных
различий на 5%-ном уровне значимости.
Таблица 3
Коэффициент асимметрии вершины листовой пластинки Populus tremula L.
на территории НП «Валдайский»
Место взятия образцов
Дворецкое лесничество, 58 кв.
Дворецкое лесничество, 67 кв.
Дворецкое лесничество, 68 кв.
Борское лесничество, 5 кв.
Новотроицкое лесничество, 56 кв.
Коэффициент асимметрии вершины листа (Ka), мм
2002
2003
2004
1,940±0,5
1,730±0,3
1,544±1,4
1,620±1,2
1,776±1,1
1,570±0,9
1,355±0,6
1,500±1,1
1,600±1,3
1,380±0,7
1,536±0,9
1,637±1,0
1,445±0,9
1,500±0,9
1,661±1,0
Следовательно, объекты на территории НП «Валдайский» могут быть использованы в качестве
контроля при оценке влияния промышленных выбросов на морфологические признаки листового
аппарата древесных пород.
5.2. Влияние освещенности на формирование листьев и побегов Acer platanoides L. и
Populus tremula L.
Мы провели замеры освещенности в различных частях побегов Acer platanoides L. и Populus
tremula L. при разных типах погоды (по состоянию облачности).
По данным, предоставленным нам метеостанцией «Валдай», в период с 2002 по 2004 гг.
(апрель-октябрь), преобладали пасмурные дни.
Наши исследования показали, что расхождения в показателях освещенности относительно
места дислокации на побегах Acer platanoides L. и Populus tremula L. отмечены в верхушечной
части.
Установлено, что в ясный день недостаточно освещенной была северная часть кроны деревьев
Acer platanoides L. и Populus tremula L. В условиях пасмурной погоды показатели освещенности
относительно сторон кроны были примерно одинаковы.
В нашей работе световой фактор не являлся определяющим в изучении количественных
морфологических изменений листьев. Решение данной задачи было затруднено из-за преобладания
пасмурной погоды.
В начальные этапы органогенеза (апрель-начало мая) развитие длины и ширины листовой
пластинки Acer platanoides L. и Populus tremula L. происходило примерно одинаково во всех
изучаемых условиях.
Процесс увеличения черешка листовой пластинки Acer platanoides L. в условиях недостаточной
освещенности происходил несколько быстрее, чем в условиях нормальной освещенности. Начиная
с 5 июня, наблюдалось выравнивание двух процессов, однако большие значения отмечены у
растений в условиях недостаточной освещенности.
10
В условиях недостаточной освещенности у листьев Populus tremula L. отмечено отставание
процесса увеличения черешка.
Наиболее заметное влияние условий освещенности сказалось на процессе формирования
стебля. У растений в условиях недостаточной освещенности длины междоузлий стебля имели
большие значения по сравнению с растениями, находившимися в условиях нормальной
освещенности, начиная с момента формирования стебля листовой пластинки.
ГЛАВА 6. МОРФОЛОГИЧЕСКОЕ СТРОЕНИЕ ЛИСТЬЕВ ACER PLATANOIDES L. И
POPULUS TREMULA L. В ЗАВИСИМОСТИ ОТ ЗАГРЯЗНЕНИЯ АТМОСФЕРЫ
6.1. Площадь листьев у древесных растений на контроле и на территориях, подверженных
техногенному загрязнению
Угнетение роста листьев находится в прямой зависимости от степени загрязненности
атмосферного воздуха - чем выше загрязнение воздуха, тем меньше площадь листа.
Площадь листьев Acer platanoides L. в зоне повреждения меньше по сравнению с контрольными
образцами на 25-41%, а площадь листьев Populus tremula L. в зоне повреждения меньше по
сравнению с контрольными образцами на 28-48%.
Наиболее значимые различия получены между листьями, собранными с верхушечной части
побега, что подтверждает данные других исследований (Исаков и др., 1984).
6.2. Структурные показатели флуктуирующей асимметрии
Проведен анализ взаимного расположения главных жилок на поверхности листовой пластинки
Acer platanoides L. Минимальный показатель степени симметричности отмечен в 2003 году (0,662),
максимальный - в 2004 году (0,720). На участках с загрязненной территорией показатели
симметричности имели меньшие значения. У растений с УИК величина симметричности в 2002–
2004 гг. составила 0,613…0,650, у растений с БКО соответственно 0,532…0,617.
Статистическая обработка данных подтвердила наше предположение, поскольку наименьшая
существенная разность при 5%-ном уровне значимости (НСР05) составила 0,064 мм, а разница
между средними значениями контроля и сравниваемых выборок составила 0,067 и 0,103 мм, между
НП «Валдайский» и УИК и НП «Валдайский» и БКО соответственно.
6.3. Число устьиц на единицу площади листа Acer platanoides L. как экологический
признак
Показано, что в условиях сильного загрязнения окружающей среды (УИК, БКО) происходит
возрастание количества устьиц на всей поверхности листа на 16-25%. Причем наибольшие
значения количества устьиц на нижнем эпидермисе отмечены на крае и на середине между краем и
главной жилкой листовой пластинки.
Вероятнее всего это связано с тем, что указанные участки более всего подвержены действию
промышленных «атак» по сравнению с центральной частью листа.
6.4. Влияние промышленных выбросов на форму центральной лопасти листа Acer
platanoides L.
На территории НП «Валдайский» за 2002–2004 гг. отмечена одинаковая тенденция в
конструкции центральной лопасти - сужение ее граней в направлении от периферии листовой
пластинки к центру (рис. 2 а). Минимальный показатель сужения отмечен в 2003 году (-0,9 мм),
максимальный - в 2002 году (-1,9 мм).
11
а
б
в
Рис. 2. Форма центральной лопасти листа Acer platanoides L. на контроле (Национальный
парк "Валдайский" - а)
и на участках, подверженных техногенному загрязнению
(Боровичский комбинат огнеупоров - б; Угловский известковый комбинат - в).
На участках с загрязненной территорией конструкция центральной лопасти листа имела
тенденцию к трапециевидной форме - расширение граней лопасти в направлении от периферии
листовой пластинки к ее центру. У растений в зоне действия БКО величина расширения в 2002–
2004 гг. составила +0,7…+2,4 мм (рис. 2 б). У растений в зоне действия УИК величина расширения
в 2002–2004 гг. составила +1,6…+2,5 мм (рис. 2 в).
Анализ вариантов конструкций листовых пластинок Acer platanoides L. показал, что на ПП,
наиболее близко расположенных к источнику промышленного загрязнения (территория УИК),
преобладающей является расширяющаяся форма центральной лопасти листа (от 66 до 85 %).
На расстоянии 1500 м от эпицентра выбросов на долю растений с расширяющейся формой
центральной лопасти приходится 25%. За пределами непосредственного прямого воздействия
атмосферных загрязнителей на расстоянии 5000 м от источника выбросов доля растений с
расширяющейся формой центральной лопасти листа составляет 11,6%.
Анализ вариантов конструкций листовых пластинок Acer platanoides L. показал, что на
территории БКО преобладающей является расширяющаяся форма центральной лопасти листа
(66,2%). На расстоянии 1500 м от источника выбросов на долю растений с расширяющейся формой
центральной лопасти приходится 17,4%. По мере удаления от эпицентра выбросов доля растений с
расширяющейся формой центральной лопасти листа уменьшается. За пределами
непосредственного прямого воздействия атмосферных загрязнителей на расстоянии 6000 м от
источника промышленных выбросов доля растений с расширяющейся формой центральной
лопасти составляет 9,5%.
6.5. Коэффициент асимметрии вершины листовой пластинки Populus tremula L. в
зависимости от уровня загрязнения атмосферы
Значения коэффициента асимметрии вершины простого цельного листа (Ka) ниже на
территории НП "Валдайский" (контроль), чем на территориях, подверженных техногенному
загрязнению.
У растений в зоне действия УИК коэффициент асимметрии вершины листовой пластинки
составил 2,344, а на расстоянии 5000 м от комбината - 1,584 мм (рис. 3). В этом случае можно
говорить о снижении интенсивности воздействия загрязняющих веществ.
12
Коэффициент
асимметрии, Ka
3
2,5
y = -0,0002x + 2,4729
R2 = 0,801
2
1,5
1
0,5
0
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
Расстояние от УИК, м
Рис. 3. Зависимость коэффициента асимметрии вершины листа Populus tremula L. от
расстояния до источника загрязнения
Видно, что с увеличением расстояния до источника загрязнения коэффициент асимметрии
вершины листа уменьшается (рис. 4). У растений в зоне действия БКО этот показатель составил
2,017, а на расстоянии 6000 м от комбината - 1,563 мм.
Коэффициент
асимметрии, Ka
2,5
y = -8E-05x + 1,9482
R2 = 0,7923
2
1,5
1
0,5
0
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
7000
Расстояние от БКО, м
Рис. 4. Зависимость коэффициента асимметрии вершины листа Populus tremula L. от
расстояния до источника загрязнения
Вычисленные уровни значимости F-критерия дисперсионного анализа показали, что
зависимости с высокой степенью достоверности не являются случайными.
13
6.6. Изучение изменчивости формы листовой пластинки Populus tremula L.
6.6.1. Показатель удлиненности листовой пластинки Populus tremula L. в зависимости от
загрязнения атмосферы
На территории НП "Валдайский" за 2002–2004 гг. коэффициент удлиненности был выше
единицы. Минимальный показатель удлиненности отмечен в 2002 году (1,057), максимальный - в
2004 году (1,141).
На участках с загрязненной территорией коэффициент удлиненности был меньше единицы. У
растений с УИК коэффициент удлиненности в 2003–2004 гг. составил 0,990…0,994, у растений с
БКО в 2002–2004 гг. - 0,945…0,999.
Рассчитанные значения t-критерия для растений с загрязненных территорий и территории НП
«Валдайский» показали достоверность различий между выборками на 5%-ном уровне значимости,
коэффициент удлиненности для растений на территории НП «Валдайский» достоверно превышал
коэффициент удлиненности для растений с загрязненных участков.
6.6.2. Изучение изменчивости формы листовой пластинки Populus tremula L. с помощью
числового индекса
В результате наших исследований выявлен переход от типичной треугольной, характерной для
контрольных образцов (рис. 5 а), к обратно треугольной и округлой форме листовой пластинки на
участках с высоким уровнем загрязнения (рис. 5 б, в).
1) Листья обратно треугольной и округлой формы имеют усеченное (Kb=1,07) или округлое
(Kb=1,00) основание. Верхушка листа тупая (Ka=1,11–1,26).
2) Треугольная форма отличается наиболее острой верхушкой. Величина Ka варьирует от
Ka=1,27 до Ka=1,30 (острая верхушка).
а
б
в
Рис. 5. Форма листовых пластинок Populus tremula L. на контроле (Национальный парк
«Валдайский» - а) и на территориях, подверженных техногенному загрязнению (Боровичский
комбинат огнеупоров – б; Угловский известковый комбинат - в)
ГЛАВА 7. ОЦЕНКА СОСТОЯНИЯ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ В НАСАЖДЕНИЯХ ПО
МОРФОЛОГИИ И АРХИТЕКТОНИКЕ ЦЕНТРАЛЬНОЙ ЛОПАСТИ ЛИСТА ACER
PLATANOIDES L.
7.1. Определение качества природной среды по методике «Способ оценки окружающей
среды»
В полевой сезон 2003 года было проведено обследование качества природной среды лесных
массивов Национального парка «Валдайский» с целью повышения статуса особо охраняемой
природной территории и обоснования заявки для его номинирования на статус биосферного
резервата ЮНЕСКО.
14
По предложению администрации парка обследованные «ядра» были расположены в условиях
низкой антропогенной нагрузки на территории НП «Валдайский».
Байневский массив – одно из таких ядер. Лесные насаждения Байневского массива
характеризуются как высокопродуктивные: 14% лесопокрытой площади составляют насаждения I
и IA класса, 62% - II класса бонитета. Преобладают еловые древостои, имеются также сосновые,
березовые и осиновые.
Селигерский и Вельевский лесные массивы зоны заповедного режима являются
территориями, изъятыми из хозяйственного пользования с момента основания национального
парка. Обследованные участки ельников можно отнести к кисличникам, черничникам свежим,
травяно-таволжным, приручейниковым. Наилучшее возобновление ели отмечено в травянотаволжном и кисличных типах леса: 2,5–3 тыс.экз./га в среднем (Никонов, 2004).
Урочище «Красная Горка» в Новотроицком лесничестве представляет собой верхнюю часть
крупного холма с пологими склонами, высота местности более 200 м. Дубраву окружают осиноберезовые и осино-еловые леса с подростом дуба, клена, ясеня (на расстоянии до 1,5 км от
дубравы). В первый ярус входят ясень, дуб, второй образован кленом платановидным, вязом.
Обследованный участок в Дворецком лесничестве находится к юго-востоку от г. Валдая между
деревнями Поддубье и Середея, расположен на локальном возвышенном водоразделе.
Здесь в пределах пяти лесных кварталов Дворецкого лесничества располагается относительно
цельный массив сложного елово-широколиственного леса. Преобладающими породами в
лесотаксационной ведомости (т.е. по запасу) указаны ель (43% выделов) и береза (32% выделов),
отмечены участки с преобладанием клена (9%).
Исследование формы центральной лопасти у листьев Acer platanoides L., собранных на
территориях четырех лесничеств, показало одинаковую тенденцию в конструкции лопасти –
сужение граней центральной лопасти от периферии листовой пластинки к ее центру.
Результаты проведенных исследований позволяют говорить о высоком качестве природной
среды на обследованных территориях НП «Валдайский» и возможности использования их в
качестве ядер для создания биосферного резервата.
7.2. Состояние лесных насаждений с участием Acer platanoides L. в зоне хронического
аэротехногенного загрязнения
Анализ жизненного состояния древесных насаждений выявил негативное воздействие ОАО
«Акрон» на древостои (Никонов, 2003, 2004; Никонов, Константинов, 2005) (табл. 5).
Таблица 5
Распределение запасов древесины по категориям жизненного состояния деревьев на пробных
площадях ОАО «Акрон»
№ пробной
площади
1
2
3
4
Древесная
порода
Ель
Береза
Осина
Ольха серая
Ель
Береза
Осина
Клен
Ель
Береза
Осина
Ольха серая
Ель
Береза
Осина
Клен
Запас древесины по категориям жизненного состояния деревьев, в %
Здоровые
Ослабленные
Сильно ослабл.
Сухие
Итого
41,7
46,8
11,5
100
95,9
1,8
0,2
2,1
100
75,2
7,5
16,5
0,8
100
78,9
2,2
18,9
100
4,6
45,6
29,3
20,5
100
65,9
15,4
6,2
12,5
100
1,3
20,9
65,9
11,9
100
60
40
100
100
100
84,9
9,3
0,3
5,5
22,5
48,6
28,9
100
53,6
22,5
10,7
13,2
100
0,5
46,7
31,3
21,5
100
92,6
2,8
4,6
100
20,8
58,5
20,7
100
80
20
100
15
Пробы листьев Acer platanoides L. были взяты в 2002, 2006 гг. на территории ОАО «Акрон», а
также - НП «Валдайский» (использована как фоновая территория). На территории НП
«Валдайский» в 2002 и 2006 гг. отмечена одинаковая тенденция в конструкции центральной
лопасти - сужение ее граней от периферии листовой пластинки к центру. Максимальный
показатель сужения отмечен в 2002 году (-2,2 мм).
На объективно загрязненной территории ОАО «Акрон» так же, как и на исследованных
промышленных объектах (БКО и УИК), структура центральной лопасти имела тенденцию к
расширению граней лопасти в направлении от периферии листовой пластинки к ее центру:
величина расширения составила +0,5 мм в 2002 году и +0,4 мм - в 2006 году.
Статистическая обработка данных показала, что значения t-критерия 2,2 и 2,0 на 5%-ном
уровне значимости для образцов, собранных в 2002 и 2006 гг. на контрольной (НП
«Валдайский») и загрязненной (ОАО «Акрон») территориях соответственно, превышают
табличные, поэтому различия между выборками достоверны.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
По результатам исследований можно сделать следующие выводы:
• Леса НП «Валдайский» рассматриваются в данной работе как территория в наименьшей
степени подверженная различным антропогенным воздействиям.
Близкие показатели в морфологическом строении и архитектонике листового аппарата
исследуемых древесных пород в разных участках НП «Валдайский» позволяют использовать эти
объекты в качестве контроля при оценке воздействия промышленных выбросов на лесные
экосистемы.
• Нашими исследованиями выявлено, что одним из мощных загрязнителей воздуха в зоне
исследований является пыль, которая образуется при выбросах промышленных предприятий. На
примере листовых пластинок Acer platanoides L. показано увеличение количества осевшей на них
пыли в среднем в 30 раз по сравнению с фоновой территорией.
• Наиболее заметное влияние светового фактора сказалось на процессе формирования стебля.
• Установлено, что клен и осина, произрастающие на неблагоприятных по экологическим
показателям территориях, характеризуются увеличением ксероморфности листа, что выражается в
сокращении площади листовой пластинки на 25-50% и увеличении количества устьиц на
поверхности листовой пластинки Acer platanoides L. на 1 мм2 нижнего эпидермиса на 16-25%.
• На благоприятных по экологическим характеристикам участках отмечена одинаковая
тенденция в конструкции лопасти листа Acer platanoides L. - сужение граней центральной лопасти
в направлении от периферии листовой пластинки к ее центру. На участках с объективно
загрязненной территорией конструкция центральной лопасти листа имела трапециевидную форму расширение граней лопасти в направлении от периферии листовой пластинки к ее центру.
• В зоне сильного влияния загрязняющих веществ установлен переход от треугольной формы
листьев Populus tremula L., характерной для контрольной территории НП «Валдайский», к обратно
треугольной и округлой форме листовой пластинки.
• Выявлено, что действие загрязненного воздуха на растения на исследуемых объектах
прослеживается на расстоянии до 700 м от источника выбросов. Количественные показатели
параметров листа у Acer platanoides L. и Populus tremula L. на расстоянии 1000–6000 м были
аналогичны таковым в контроле.
• На примере ОАО «Акрон» обоснована возможность использования строения центральной
лопасти листовой пластинки Acer platanoides L. в качестве параметра индикации,
обеспечивающего надежное выявление повреждения растений при загрязнении атмосферы.
• Установлено, что Acer platanoides L. и Populus tremula L. могут быть применены в качестве
растений-индикаторов для оперативной и недорогой биоиндикации воздушных загрязнений при
экологическом мониторинге окружающей природной среды.
16
Список работ, опубликованных по материалам диссертации:
1. Морфология листа Tilia cordata L. // Социальные и экологические проблемы Балтийского
региона: Докл. и тез. обществ.-научной конф. / ПГПИ. – Псков, 2000. – С. 126–128. Соавторы
Семчук Н. Н., Рогоцкий В. В.
2. Математическая модель морфологии побега – разработка и перспективы применения // Записки
Горного института. – СПб., 2001. – Т. 149.– С. 230–231. Соавторы Семчук Н. Н., Курмышев Н. В.,
Постельник Д. Я., Рогоцкий В. В.
3. Алгоритм изучения морфологии листа // Тезисы докладов аспирантов, соискателей, студентов:
IX науч. конф. преп., асп. и студ. НовГУ. – Великий Новгород, 2002. – С. 2. Соавторы Кириллова
Н., Степанова Н., Семчук Н. Н.
4. Метод изучения воздействия экзогенных факторов на морфологию и архитектонику
растительного организма // Науч.-техн. конф. «Научно-инновационное сотрудничество»: Сб. науч.
тр. – М., 2002. – Ч. 2. – С. 176–177. Соавтор Семчук Н. Н.
5. Параметры морфологии листа Ulmus glabra Huds. // Биология – наука XXI века // 6-я Пущинская
конф. мол. ученых: Сб. тез. / Тул. гос. пед. ун-т им. Л. Н. Толстого. – Пущино, 2002. – Т. 2. – С. 9–
10. Соавтор Семчук Н. Н.
6. Влияние запыленности воздуха на морфологию листа Acer platanoides // Биология – наука XXI
века, 7-я Пущинская школа-конференция молодых ученых: Сб. тез. – Пущино, 2003. – С. 149.
Соавтор Семчук Н. Н.
7. Использование информационных технологий в биологических исследованиях // Тезисы
докладов аспирантов, соискателей, студентов // X науч. конф. препод., асп. и студ. НовГУ. –
Великий Новгород, 2003. – С. 25–27. Соавторы Столярова А. Н., Клюкас О. В., Грунина Н. В.,
Семчук Н. Н.
8. Биоиндикация – приоритетный метод в системе современного экологического мониторинга // 10
лет на службе у новгородского леса: Тр. учеб.-курс. комбината. – Великий Новгород:
«Кириллица», 2004. – С. 132–145. Соавторы Семчук Н. Н., Архипова Т. Н., Тимофеева О. А.
9. Параметры биоиндикации – идентификация и методика замера // Аграрная наука в решении
проблем АПК и экологии региона: Материалы науч.-практ. конф. / Отв. ред. Н. Н. Максимюк;
НовГУ им. Ярослава Мудрого. – Великий Новгород, 2004. – С. 217–220. Соавторы Семчук Н. Н.,
Григорьева О. В.
10. Реакция листа Acer platanoides L. на загрязнение окружающей среды // Северо–Западная
Россия: проблемы экологии и социально-экономического развития: Материалы регион. обществ.науч. конф. с междунар. участием. – Псков: «Центр Возрождение» при содействии ОЦНТ, 2004. –
С. 132–135. Соавтор Семчук Н. Н.
11. Влияние пылевых выбросов на форму центральной лопасти листа Acer platanoides L. //
География и экология регионов России: Материалы Всерос. науч. конф. 9-10 дек. 2004 г. / НовГУ
им. Ярослава Мудрого. – Великий Новгород, 2005. – С. 291–294. Соавтор Семчук Н. Н.
12. Изменение морфологии листа Populus tremula L. в загрязненном воздухе // Учен. зап. ИСХиПР
НовГУ. – Великий Новгород, 2005. – Т. 13, вып. 2. – С. 107–110. Соавтор Семчук Н. Н.
13. Формирование побегов клена платановидного (Acer platanoides L.) в разных экологических
условиях // Исследования природного и историко-культурного комплексов Национального парка
«Валдайский»: Материалы к регион. науч.-практ. конф., посвящ. 15-летию Нац. парка
«Валдайский» / Ред.-сост. В. В. Рогоцкий. 17 мая 2005 г.; Нац. парк «Валдайский». – Валдай, 2005.
– С. 173–179. Соавтор Семчук Н. Н.
14. Морфологические особенности листа Acer platanoides L. в условиях хронического
аэротехногенного загрязнения // Учен. зап. ИСХиПР НовГУ. – Великий Новгород, 2006. – Т. 14,
вып. 3. – С. 47–50. Соавтор Семчук Н. Н., Никонов М. В.
15. Оценка качества окружающей среды в национальном парке «Валдайский» и в зоне влияния
промышленных предприятий // Историко-культурное наследие и природное разнообразие: опыт
деятельности охраняемых территорий: Материалы науч.-практ. конф., посвящ. 15-летию нац. парка
«Смоленское Поозерье» (8–10 июня 2007 г.). – Смоленск: Смоленская городская типография, 2007.
– С. 176–181. Соавторы Семчук Н. Н., Никонов М. В.
17
16. Изменение морфологического строения листьев у деревьев в районах с различным уровнем
загрязнения атмосферы // Известия Санкт-Петербургской лесотехнической академии. Сб. докл.
мол. ученых на ежегодн. науч. конф. СПбЛТА: Вып. 13 / Под общей редакцией А. В. Селиховкина,
Э. М. Лаутнера. – СПб.: СПбЛТА, 2007. – C. 13–14.
17. Maple leaves as ecological indicators // Ecology and Life (Science, Education, Culture): International
Journal. Issue 7 / Editor in Chief, compiler N. N. Semchuk; Yaroslav-the-Wise Novgorod State
University. – Novgorod the Great, 2002. – P. 12. Соавтор Семчук Н. Н.
18
19
20