Оценка качества урбаносреды г. Кирова на основе анализа флуктуирующей асимметрии листовой пластинки березы повислой (Betula pendula Roth. )

ВЕСТНИК УДМУРТСКОГО УНИВЕРСИТЕТА БИОЛОГИЯ. НАУКИ О ЗЕМЛЕ

УДК 635.977: 582.632.1: 504.7.054

Л.С. Савинцева, Т.Л. Егошина, В.В. Ширяев

ОЦЕНКА КАЧЕСТВА УРБАНОСРЕДЫ г. КИРОВА НА ОСНОВЕ АНАЛИЗА ФЛУКТУИРУЮЩЕЙ АСИММЕТРИИ ЛИСТОВОЙ ПЛАСТИНКИ БЕРЕЗЫ ПОВИСЛОЙ

Изучена возможность использования показателя флуктуирующей асимметрии (ФА) листьев березы повислой (Betula pendula Roth.) при оценке качества городской среды. Показаны влияние антропогенного загрязнения на формирование морфологических структур листовой пластинки, зависимость величины показателя от удаленности растения от источника загрязнения.

Ключевые слова: береза повислая (Betula pendula Roth.), листовая пластинка, биоиндикация, флуктуирующая асимметрия.

Актуальность экологического мониторинга приобрела особую значимость в конце XX в. с увеличением антропогенного воздействия на окружающую среду. Основными источниками загрязнения в условиях города являются промышленные предприятия и автомобильный транспорт. Наряду с традиционными методами контроля химического загрязнения путем исследования проб воды, воздуха, почв, существуют методы биоиндикации, основанные на изменении морфологических структур растений под влиянием техногенных поллютантов.

Наиболее часто применяется оценка стабильности развития живых организмов по уровню асимметрии морфологических структур, в частности выраженности флуктуирующей асимметрии [1; 2]. Флуктуирующая асимметрия (ФА) представляет собой незначительные ненаправленные различия между правой и левой сторонами и является результатом ошибок в ходе индивидуального развития организма. При нормальном состоянии окружающей среды их уровень минимален, при возрастающем негативном воздействии увеличивается, что ведет к повышению асимметрии [2-4]. Показатель ФА позволяет фиксировать даже незначительные отклонения параметров среды, еще не приводящих к существенному снижению жизнеспособности особи [5].

Г лавным условием использования объекта является билатеральная симметрия органа, параметры которого будут применяться для исследования. Растения с билатерально симметричными листьями, используемые в озеленении города, могут быть использованы в качестве объекта биоиндикации. Для оценки качества городской среды широко применяется исследование показателя стабильности развития берёзы повислой (Betula pendula Roth.j [6-9] и других видов берёз [10-12]. Некоторые авторы предлагают использовать в качестве объектов биоиндикации травянистые однолетние [12] и многолетние [13] растения. Выбор объекта биоиндикации зависит от задачи исследования. Мелкие травянистые виды растений в большей степени могут отражать микробиотопические условия, как естественные, так и антропогенные. Для характеристики достаточно больших территорий предпочтительно использовать древесные растения [3; 4].

Целью исследования была оценка качества урбаносреды в семи точках г. Кирова методом биоиндикации.

Для достижения данной цели были поставлены следующие задачи:

1) выявление морфологических особенностей древесных растений в условиях урбаносреды. Изучение влияния антропогенных факторов на формирование морфологических структур древесных растений путем определения показателей ФА листовой пластинки в разных районах города;

2) оценка состояния растений по величине интегрального показателя стабильности развития;

3) определение зависимости уровня ФА от положения растения по отношению к источнику загрязнения.

Материалы и методика исследований

Объектом исследования для определения степени нарушения стабильности развития выбрана береза повислая (Betula pendula Roth.), дерево семейства Березовые (Betulaceae) высотой 20-25 м, с ажурной кроной и обычно поникшими ветвями [14]. B. pendula - европейско-среднесибирско-средиземноморский вид. Мезофанерофит, мезофит. Основная лесообразующая порода мелколиственных лесов [15]. B. pendula широко используется в озеленении.

Сбор материала проводился согласно методике оценки состояния организмов по показателям нарушения стабильности развития [3; 4; 16]. На территории г. Кирова отобраны пробы листьев берёзы повислой в 7 точках с различной техногенной нагрузкой. Расположение пробных площадок (1111) представлено на рис. 1. 1111 располагаются в зоне транспортного потока разной интенсивности. Исследован материал с деревьев, расположенных на расстоянии 10-20м от проезжей части.

Рис. 1. Схема расположения пробных площадок:

1 - сквер у Дворца пионеров

Для оценки величин ФА, согласно существующим методикам [3; 4; 16], исследованы 5 билатеральных признаков, характеризующих общие особенности листа, удобные для учета и дающие возможность однозначной оценки:

1 - ширина левой и правой половинок листа; 2 - расстояние от основания до конца жилки второго порядка, второй от основания листа; 3 - расстояние между основаниями первой и второй жилок второго порядка; 4 - расстояние между концами первой и второй жилок второго порядка; 5 - угол между главной жилкой и второй от основания листа жилкой второго порядка.

Измерения проводили на гербаризованном материале с помощью штангенциркуля, линейки и транспортира в соответствии с «Методическими рекомендациями по выполнению оценки качества среды ...» [16]. Измерялись параметры левой и правой половин листовой пластинки. Интегральным показателем стабильности развития для комплекса мерных признаков является средняя величина относительного различия между сторонами на признак. Показатель ФА выражен десятичной дробью, представляющей собой отношение различий признака на правой и левой сторонах к сумме тех же промеров. Популяционная оценка выражена средним арифметическим этой величины. Для оценки степени выявленных отклонений от нормы используется балльная шкала, характеризующая уровень загрязнения территории на основе показателя ФА [4] (табл. 1). Статистическая обработка данных проведена при помощи программы STATISTICA 6.0.

БИОЛОГИЯ. НАУКИ О ЗЕМЛЕ

Таблица 1

Шкала оценки отклонений состояния организма от условной нормы по величине интегрального

показателя стабильности развития [4]

Балл Величина показателя ФА Характеристика

I < 0,040 Условная норма

II 0,040 - 0,044 Растения испытывают слабое влияние неблагоприятных факторов

III 0,045 - 0,049 Загрязненные районы

IV 0,050 - 0,054 Сильно загрязненные районы

V > 0,054 Крайне неблагоприятные условия, растения находятся в сильно угнетенном состоянии

Результаты и их обсуждение

Одно из требований к признакам, по которым ведется определение ФА, - относительно равная их величина. Изучение вариабельности признаков листовой пластинки показало, что все признаки характеризуются низкими значениями коэффициента вариации (2,54%-12,06%), что говорит о низком уровне их изменчивости (табл. 2).

Таблица 2

Средние значения исследуемых признаков в выборках Betula pendula Roth.

Признак Пробные площадки

ПП1 ПП2 ПП3 ПП4 ПП5 ПП6 ПП7 cv%

Длина черешка 21,11 20,12 23,10 20,18 21,05 23,68 20,26 6,82

Ширина листовой пластинки 37,79 36,12 36,27 37,56 35,40 38,27 34,36 3,85

Длина листовой пластинки 60,79 59,34 63,62 60,28 58,87 63,67 58,54 3,52

Ширина листовой пластинки справа 19,00 18,02 18,14 18,93 17,81 19,41 17,20 4,26

Ширина листовой пластинки слева 18,79 18,10 18,12 18,62 17,59 18,86 17,17 3,49

Длина 2-й жилки 2-го порядка справа 31,68 30,91 31,95 31,95 30,87 32,91 30,09 2,95

Длина 2-й жилки 2-го порядка слева 31,33 30,56 31,79 31,61 30,91 32,25 29,92 2,54

Расстояние между основаниями 1-й и 2-й жилок справа 3,89 4,68 5,34 3,94 5,08 4,65 4,28 12,06

Расстояние между основаниями 1-й и 2-й жилок слева 4,05 4,73 5,33 4,19 5,02 4,92 4,23 10,49

Расстояние между концами 1-й и 2-й жилок справа 11,27 11,00 11,17 11,73 11,15 12,05 10,85 3,74

Расстояние между концами 1-й и 2-й жилок слева 11,41 10,87 11,24 11,67 11,47 11,99 10,75 3,83

Угол между главной и 2-й жилкой справа 43,26 42,43 39,62 44,85 40,02 43,61 45,25 5,15

Угол между главной и 2-й жилкой слева 42,97 42,18 39,04 44,11 39,96 43,16 44,76 4,98

Изучение зависимости между размерами листовой пластинки и значениями ФА показало, что длина и ширина листовой пластинки слабо коррелируют с показателем ФА (г = 0,035 и г = 0,29 соответственно при р = 0,05) (рис. 2). А.Г. Васильев и др. в процессе феногенетического мониторинга В. ре^и1а также установили очень слабую связь между размерами листьев и показателем ФА [18].

Таким образом, в проведенном нами исследовании не выявлена размер-зависимость показателя ФА для березы повислой (рис. 2), отмеченная у других видов. Так, Г.Р. Хузина установила, что для обследованных ею популяций липы (ТШа cordata L.) г. Ижевска и г. Воткинска характерна сильная размер-зависимость анализируемых признаков [19].

Все обследованные пробные площади характеризовались уровнем ФА листьев В. ре^и1а, превышающим величину условной нормы (<0,040). Наиболее высокий показатель (0,055 ± 0,002) зафиксирован на 1111 7 - центр города (рис. 3). Данное значение ФА соответствует V баллу по шкале оценки

отклонений от условной нормы. Максимальное значение ФА особи (0,06) также выявлено в этой точке наблюдения. Показатели других выборок соответствуют III баллу по шкале оценки отклонений. Значения ФА в этих точках находятся в пределах от 0,045 до 0,049. Наименьший уровень ФА отмечен на ПП 4 - 0,045 ± 0,001.

<

Є

-D

01

Г!

а:

О

33,00 34,00 35,00 36,00 37,00 38,00 39,00 Шириналистовой пластинки, мм

• 1

Ы2

• 3

• 4

• 5

W6

#7

<

Є

.о

0)

г,

X.

о

0,043

56,00 58,00 60,00 62,00 64,00

Длина листовой пластинки, мм

66,00

• 1

w 2 *3

• 4

• 5

w б «7

Рис. 2. Взаимосвязь параметров флуктуирующей асимметрии и размеров листовой пластинки Betula

pendula Roth

Значения ФА как интегральные, так и максимальные в выборке увеличиваются с приближением ПП к центру города. Наименьший уровень ФА установлен для ПП, расположенных на окраине города: ПП4 - ул. Производственная (0,045 ± 0,001), ПП 3 - юго-западный район (0,046 ± 0,002) (рис. 3).

<

е

0,060

0,055

0,050

0,045

0,040

Пробные площадки

Рис. 3. Показатели ФА Betula pendula Roth. на обследованных пробных площадках

БИОЛОГИЯ. НАУКИ О ЗЕМЛЕ

Подобную закономерность увеличения показателя ФА ВєШЇа platyphylla Sukacz с приближением к центру города отмечают В.Ю. Солдатова и Е.Г. Шадрина в исследованиях, проведенных на территории г. Якутска [11]. А.А. Гуртяк и В.В.Углев, проводившие исследования стабильности развития В.рє^иіа в Ханты-Мансийске, зафиксировали повышение показателя ФА вдоль автомагистралей [9]. Минимальные значения ФА установлены этими же авторами за пределами города, на территории заказника.

В ходе исследований КОГБУ «Областной природоохранный центр», выполнявшего работы по мониторингу загрязнения атмосферного воздуха в зоне влияния наиболее интенсивных автотранспортных потоков и экологически значимых объектов, выявлены превышения ПДК в атмосферном воздухе по формальдегиду, взвешенным веществам, оксиду углерода при въезде в город (ПП 4), в районе ГНУ НИИСХ северо-востока (ПП 5), в центре города (ПП 6, 7) [21]. В этих же точках нами установлены повышенные значения показателя ФА березы повислой.

С увеличением расстояния от растения до источника загрязнения (автотранспорт) уменьшаются значения ФА. Так, на ПП 6 наиболее высокие значения ФА наблюдаются у деревьев, растущих на расстоянии 20-25 м от проезжей части улицы (0,054-0,061). Значения ФА у растений ПП 6, находящихся на расстоянии 70 м от источника загрязнения, близки к норме и варьируются в пределах от 0,037 до 0,043. Зависимость показателя ФА от местоположения растений по отношению к источнику загрязнения на ПП 6 - Октябрьский проспект представлена на рис. 4.

у = -0,000х + 0,063

<

Є

л

к

и

!-

п

го

п

5£

о

О 10 20 30 40 50 60 70 80

Расстояние до проезжей части

Рис. 4. Зависимость величины ФА от удаленности растений Betulapendula Roth. от источника

загрязнения на ПП 6

Аналогичные результаты были получены и при исследовании выборки листьев Betula pendula в районе ГНУ НИИСХ северо-востока. Наиболее высокие показатели ФА отмечены у растения, находящегося на расстоянии 5 м от проезжей части (0,054). Наименьшими значениями (0,039) характеризовалась выборка листьев дерева, удаленного на 30 м от источника загрязнения [20].

Коэффициент корреляции Пирсона в отношении «расстояние до проезжей части - показатель ФА» составляет -0,975. Уменьшение показателя ФА с удалением от источника загрязнения отмечалось многими авторами [11; 13; 14]. Например, В.Ю. Солдатовой и Е.Г. Шадриной данная зависимость выявлена у другого вида - березы плосколистной (Betulaplatyphilla Sucaz.) [11].

Следует отметить, что растения с меньшими показателями ФА не только находились на большем расстоянии от проезжей части, но и были защищены другими деревьями.

Таким образом, деревья, находящиеся в непосредственной близости от проезжей части, испытывают наибольшую техногенную нагрузку.

Выводы

Показатели ФА березы повислой, определенные в различных точках города Кирова, превышают условную норму (< 0,040) в каждой из семи исследованных выборок.

В соответствии со шкалой отклонения от условной нормы определен уровень загрязнения в исследованных районах. Наиболее загрязненные территории находятся в центре города, вдоль улиц с

0,065

0,055

0,045

0,035

интенсивным транспортным потоком (ПП 6, ПП 7, ПП 1). Уровень загрязнения в исследованных точках города находится в пределах от III до V баллов, что позволяет охарактеризовать эти районы города как загрязненные.

В условиях города на величину ФА оказывает влияние удаленность растения от источника загрязнения. С увеличением расстояния от растения до проезжей части наблюдается снижение показателя ФА.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Захаров В.М. Асимметрия животных. М.: Наука, 1987. 161 с.

2. Palmer A.R. Strobeck C. Fluctuating asymmetry as a measure of developmental stability: implications of nonnormal distributions and power of statistical tests// Acta Zool. Fenn. 1992. Vol. 191. P. 57-72

3. Захаров В.М., Баранов А.С., Борисов В. И. и др. Здоровье среды: методика оценки. М.: Центр экологической политики России, 2000. 66 с.

4. Захаров В.М., Чубинишвили А.Т., Дмитриев С.Г. и др. Здоровье среды: практика оценки. М.: Центр экологической политики России, 2000. 318 с.

5. Корона В.В., Васильев А.Г. Строение и изменчивость листьев растений: основы модульной теории. 2-е изд, испр. и доп. Екатеринбург: УрО РАН, 2007. 280 с.

6. Кряжева Н.Г., Чистякова Е.К., Захаров В.М. Анализ стабильности развития березы повислой в условиях химического загрязнения // Экология. 1996. №6. С. 441-444.

7. Franiel I. Fluctuating asymmetry of Betula pendula Roth. leaves - an index of environment quality // Biodiv. Res. Conserv. 2008. Vol. 9-10. P. 7-10.

8. Гелашвили Д.Б., Лобанова И.В., Ерофеева Е.Я., Наумова М.М. Влияние лесопатологического состояния березы повислой на величину флуктуирующей асимметрии листовой пластинки // Поволжский экол. журн. 2007. № 6. С. 106-115.

9. Гуртяк А.А., Углев А.А. Оценка состояния среды городской территории с использованием березы повислой в качестве биоиндикатора // Изв. Том. политех. ун-та. 2010. Т. 317, №1. С. 200-204.

10. Солдатова В.Ю. Биоиндикационная оценка состояния городской среды по величине флуктуирующей асимметрии березы плосколистной (Betulaplatyphylla Sukacz) на примере Якутии: автореф. дис. ... канд. биол. наук. Якутск 2008. 19 с.

11. Солдатова В.Ю., Шадрина Е.Г. Показатели флуктуирующей асимметрии Betula platyphylla Sukacz. в условиях антропогенного воздействия (на примере г. Якутска) // Экологический мониторинг. 2007. №5. С. 70-74.

12. Wilsey B.J., Haukoja E., Koricheva J., Sulkinoja M. Leaf fluctuating asymmetry increases with hibridization and elevation tree - line birches // Ecology. 1998. Vol. 79 (6). P.2092-2099.

13. Гусакова Н.Н., Пчелинцева Н.М. Оценка качества городской среды по цветочным культурам // На пути к устойчивому развитию России: бюллетень. 2004. Вып. 30. С. 38-40.

14. Морозова С.П., Устюжанина О. А. Биоиндикационная оценка окружающей среды по стабильности развития земляники и кислицы на территории «Калужского городского бора»: сб. науч. тр. Калуга: Изд-во КГПУ им К.Э. Циолковского, 2008.С. 89-96.

15. Колесников А.И. Декоративная дендрология: 2-е изд., испр. и доп. М.: Лесн. пром-сть, 1974. 704 с.

16. Иллюстрированный определитель растений Пермского края / под ред. С.А. Овеснова. Пермь: Книжный мир, 2007. 743 с.

17. Методические рекомендации по выполнению оценки качества среды по состоянию живых существ (оценка стабильности развития живых организмов по уровню асимметрии морфологических структур). М., 2003. 25 с.

18. Васильев А.Г., Марин Ю.Ф., Васильева И.А.Феногенетический мониторинг березы повислой (Betula pendula): оценка качества среды в Висимском заповеднике и в зоне влияния техногенных поллютантов от предприятий цветной металлургии // Экологические исследования в Висимском биосферном заповеднике: материалы науч. конф. Екатеринбург: Новое время, 2006. С. 85-93.

19. Хузина Г.Р. Характеристика флуктуирующей асимметрии билатеральных признаков листа липы мелколистной (Tilia cordata L.) // Вестн. Удм. ун-та. 2011. Вып.3. С.47-52.

20. Савинцева Л. С. Показатель стабильности развития берёзы повислой (Betula pendula RothJ в условиях антропогенного воздействия на примере г. Кирова // Аграрная наука Евро-Северо-Востока. 2011. №5. С. 24-28.

21. Доклад «Об экологической ситуации на территории Кировской области в 2011 году. URL: http://www.kirovreg.ru/ econom/ecology/doklad.php

Поступила в редакцию 06.03.12

БИОЛОГИЯ. НАУКИ О ЗЕМЛЕ

L.S. Savintseva, T.L. Egoshina, V.V. Shuryayev

The estimation of urban environment quality on the basis of analyses of Betula pendula Roth. development stability

The article is devoted to the study of the possibility to use the fluctuating asymmetry parameter of Betula pendula leaves for the estimation of the urban-environment quality. The influence of anthropogenic pollution on the formation of lamina morphological structures and the dependency of fluctuating asymmetry parameter value on the remoteness of pollution source, are shown.

Keywords: Betula pendula Roth., bioindication, fluctuating asymmetry, development stability parameter.

Савинцева Лариса Сергеевна, аспирант ФГБОУ ВПО «Вятская государственная сельскохозяйственная академия»

610017, Россия, г. Киров, Октябрьский пр-т, 133 E-mail: savinceva.l@mail.ru

Егошина Татьяна Леонидовна, доктор биологических наук, профессор Е-mail: etl@inbox.ru

Ширяев Валерий Владимирович, доктор биологических наук, профессор E-mail: etl@inbox.ru

ГНУ Всероссийский научно исследовательский институт охотничьего хозяйства и звероводства им. Б.М. Житкова Россельхозакадемии

610000, Россия, г. Киров, ул. Энгельса, 79

Savintseva L. S., PhD student Vyatka State Agricultural Academy 610017, Russia, Kirov, Oktyabrskiy pr., 133 E-mail: savinceva.l@mail.ru

Egoshina T.L., doctor of biology, professor E-mail: etl@inbox.ru

Shuryayev V.V., doctor of biology, professor E-mail: etl@inbox.ru

Russian Research Institute of Game Management and Fur Farming

610000, Russia, Kirov, Engels st., 79