Морфология и химический состав листьев опытных культур берёзы повислой (Betula Pendula Roth) в условиях магнезитового загрязнения

Морфология и химический состав листьев опытных культур берёзы повислой (Betula Pendula Roth) в условиях магнезитового загрязнения*

К.Е. Завьялов, к.с.-х.н., Ботанический сад УрО РАН

В городских и пригородных районах лесные экосистемы, обладая санитарно-гигиеническими функциями, активно участвуют в очистке воздуха. Известно, что древесные растения поглощают и нейтрализуют часть атмосферных поллютантов, задерживают пылевые частицы, обеспечивая перенос поллютантов из атмосферы в биосферу, сохраняя прилегающие территории от отрицательного воздействия токсикантов. Многочисленными исследованиями показано, что повышенное содержание токсических веществ во внешней среде, и прежде всего в почвах, неизменно ведёт к росту этих веществ в растении. Однако поглощение элементов растениями определяется доступностью форм химических соединений в почвах, спецификой зональных типов растительности, избирательностью процессов поглощения химических элементов и их соединений растениями [1]. Изменение баланса химических элементов в растении под воздействием промышленных выбросов неизменно сказывается на его росте и состоянии. Благодаря способности деревьев осаждать и поглощать из воздуха аэротехногенные примеси и чутко реагировать на избыток или недостаток тех или иных химических элементов в почвах и воздухе, к настоящему времени накопилось достаточно информации о возможности использования древесных растений в качестве индикаторов оценки состояния окружающей среды. Биоиндикационные методы оценки состояния окружающей среды позволяют проводить интегральную оценку состояния среды. Характеристика ассимиляционного аппарата, в т.ч. его морфологических показателей, наиболее наглядно свидетельствует о жизненном состоянии конкретного дерева. Листовая пластинка — это один из основных органов, который чутко реагирует патологическими изменениями на токсические вещества в окружающей среде.

Цель и методика исследований. Целью данных исследований являлось изучение воздействия магнезитового загрязнения на морфологические показатели и химический состав ассимиляционных органов опытных культур берёзы повислой.

Исследования опытных культур берёзы повислой проводились на трёх опытных участках (ОУ) в зоне сильного загрязнения — ОУ № 2,

среднего загрязнения — ОУ № 5, контроль — ОУ № 4. Подробное описание района и объекта исследований приведено в предыдущей статье, где рассмотрен рост опытных культур (Pinus sylvestris L., Betula Pendula Roth, Larix sukaczewii D y l.) в условиях магнезитового загрязнения [2]. Листья для морфологических исследований отбирались с 45 деревьев, произрастающих в одинаковых условиях освещения, методом сплошной выборки с укороченных побегов на удлинённых побегах предыдущего года развития, в нижней трети части кроны. Определение морфологических показателей проводилось с помощью программы анализа изображений SIAMS Mesoplant™. Содержание химических элементов в растениях определялось методом атомно-абсорбционной спектрофотометрии.

Результаты исследований. Проведённый нами анализ содержания ряда химических элементов в листьях берёзы повислой изучаемых ОУ показывает, что из макроэлементов в листьях доминирует магний (табл. 1). Следующим по содержанию из макроэлементов по мере убывания находится калий, за ним — кальций, натрий. Из металлов в листьях доминирует железо, за ним цинк и марганец. Оценивая содержание химических элементов в листьях берёзы повислой, наблюдали различия по содержанию элементов вдоль градиента загрязнения магнезитового производства. Результаты сравнения содержания элементов в листьях между участками по t-критерию Стьюдента представлено в таблице 2. Анализируя различия в содержании элементов вдоль градиента загрязнения, можно сделать вывод о достоверном увеличении содержания магния в листьях на загрязнённых участках по

1. Содержание элементов в листьях на ОУ, n-10"3 %

Хими- ческие элементы № ОУ/удаление от источника выбросов, км

2/1 5/3 4/10

K 245,17±43,56 241,83±27,09 351,17±44,91

Na 16,33±1,56 11,67±1,20 15,50±0,81

Mg 790,67±74,93 887,83±81,73 570,00±56,66

Ca 164,17±20,74 166,17±20,22 213,00±29,36

Zn 3,45±0,59 5,03±0,77 8,22±1,28

Mn 2,65±0,41 4,65±0,65 3,83±0,59

Fe 11,37±1,66 10,88±1,41 10,70±1,43

Примечание: ± стандартная ошибка

* Работа выполнена при поддержке Уральского отделения РАН

2. Сравнение содержания элементов по 1-критерию

Сравниваемые участки Химические элементы

к Ыа Mg Са 7п Мп Ее

4-5 2,08 2,65* 3,20* 1,31 2,13 0,93 0,09

4-2 1,69 0,47 2,35* 1,36 3, 3 ОО * 1,65 0,30

5-2 0,06 2,37* 0,88 0,07 1,63 2,59* 0,22

Примечание: * — различие достоверно

сравнению с контрольным. Увеличение данного химического элемента в листве обусловлено увеличением его соединений в окружающей среде в результате выбросов, главным компонентом которых являются соединения магния [2]. Известно, что при влиянии избытка магния в почве проявляется физиологическая сухость, снижается доступ кислорода к поверхности всасывающих корней, происходит «известкование» чехлика и связывание фосфора [3]. Вследствие сухости почвы и дефицита фосфора наблюдается суховершинность и преждевременный выпад древесных растений [3], что и отмечалось нами в результате исследования состояния опытных культур [4]. Наряду с увеличением содержания магния идёт процесс изменения содержания других макроэлементов. Наблюдается тенденция к снижению содержания кальция и калия. Снижение содержания кальция в листве может быть обусловлено уменьшением содержания обменных катионов кальция в почве [2]. Анализ содержания тяжёлых металлов показывает, что содержание цинка в зоне сильного загрязнения достоверно уменьшилось в листьях по сравнению с контрольным участком. Некоторые исследователи [5] уменьшение биологического поглощения деревьями широкого спектра тяжёлых металлов объясняют наличием у растений защитно-приспособительных свойств, проявляющихся в избирательном поглощении элементов из питающих сред и регуляции внутренней среды. Наблюдается тенденция к уменьшению содержания марганца на загрязнённых участках. На подвижность химических элементов в почве влияет кислотность [1]. При низких рН имеет место переход труднорастворимых соединений, в том числе большинства металлов, в ионную, наиболее подвижную форму. И соответственно при высоких рН не происходит переход труднорастворимых соединений в подвижную форму, в результате соединения остаются в почве и не оказывают токсического действия на растение [1]. Поэтому низкое содержание некоторых химических элементов в листьях на загрязнённых участках может быть связано с уменьшением подвижности химических элементов в почве в результате высокой щёлочности (рН водной вытяжки почвы в зоне сильного загрязнения достигает 8,2—9,5 [2]).

Анализ морфологических признаков листовой пластинки показал изменение её размеров в гра-

диенте загрязнения выбросами комбината «Магнезит». Установлено, что максимальные средние величины длины, ширины, периметра, площади листа и суммарная длина жилок наблюдаются у листьев в контроле, а минимальные — в зоне наибольшего загрязнения (табл. 3). Сравнение средних значений морфологических показателей листьев между участками по 1-критерию представлены в таблице 4. Ширина, периметр и площадь листа на контрольном участке достоверно различаются с зонами загрязнения. Так, к примеру, в зоне сильного загрязнения ширина листа меньше на 12%, периметр листа — на 13%, площадь — на 27% по сравнению с контрольным участком. Выявлены достовернозначимые различия между зонами сильного и среднего загрязнения по этим показателям. Это говорит о том, что данные показатели изменяются даже при незначительном увеличении уровня загрязнения.

По показателям длины листа и суммарной длине жилок различия достоверны между зонами сильного и среднего загрязнения по сравнению с контролем. В зоне сильного загрязнения длина листа меньше на 16%, суммарная длина жилок — на 18%, а в зоне среднего загрязнения длина листа меньше на 12%, суммарная длина жилок — на 14% по сравнению с контрольным участком. С возрастанием степени загрязнения обнаружено увеличение длины жилок на 1 см2. В зоне сильного загрязнения длина жилок на 1 см2 достоверно больше на 11%, чем в зоне среднего загрязнения, и больше на 8%, чем в контроле.

Изучив ряд морфологических показателей листьев, мы установили, что при увеличении степени загрязнения происходит усиление ксе-роморфности листа. Наши данные согласуются с результатами многих авторов [6, 7] о том, что аэротехногенное загрязнение отрицательно влияет на размеры ассимиляционного аппарата вследствие разных причин, в том числе из-за торможения стадии растяжения клеток. Ряд авторов считают, что причиной мелколиствен-ности и задержки роста является недостаточность 7п [8]. В наших результатах также наблюдается данная связь.

Выводы. Таким образом, изучение морфологических признаков и химического состава листьев берёзы вдоль градиента магнезитового загрязнения показало, что по мере приближения к источнику выброса, особенно в зоне сильного

3. Средние морфологические показатели листьев берёзы повислой

№ ОУ Площадь листа, см2 Периметр листа, см Ширина листа, см Длина листа, см Суммарная длина жилок, см Длина жилок на 1 см2, см

2 8,15±0,24 14,59±0,26 3,38±0,05 4,06±0,08 18,05±0,40 2,23±0,03

5 9,68±0,43 15,82±0,38 3,71±0,08 4,25±0,10 18,92±0,55 2,01±0,04

4 11,11±0,63 16,72±0,51 3,79±0,11 4,81±0,14 21,90±0,75 2,07±0,05

4. Сравнение средних морфологических показателей по t-критерию

№ сравниваемых ОУ Площадь листа, см2 Периметр листа, см Ширина листа, см Длина листа, см Суммарная длина жилок, см Длина жилок на 1 см2, см

4-5 1,87 1,41 0,56 3,32* 3,21* 1,08

4-2 4,37* 3,72* 3,46* 4,74* 4,52* 2,92*

5-2 3,11* 2,66* 3,42* 1,50 1,26 5,15*

Примечание: * — различие достоверно при р<0,05

загрязнения, происходит изменение содержания ряда химических элементов в листве: увеличение магния и уменьшение цинка. Одновременно с этим происходит усиление ксероморфности листа: уменьшается его длина и ширина, соответственно уменьшается площадь и периметр листа.

Литература

1. Безель В.С. Экологическая токсикология: популяционный и биоценотический аспекты. Екатеринбург: Изд-во «Гощиц-кий», 2006. 280 с.

2. Менщиков С.Л., Кузьмина Н.А., Мохначев П.Е. Воздействие атмосферных выбросов магнезитового производства на почвы и снеговой покров // Известия Оренбургского государственного аграрного университета. 2012. № 5 (37) С. 221-224.

3. Власюк П.А., Шкварук Н.М., Сапатный С.Е., и др. Химические элементы и аминокислоты в жизни растений, животных и человека. Киев, 1974. 218 с.

4. Завьялов К.Е. Динамика роста опытных культур (Pinus sylvestris L., Betula Pendula Roth, Larix sukaczewii D y l.) в условиях аэротехногенных выбросов магнезитового производства // Известия Оренбургского государственного аграрного университета. 2012. № 5 (37). С. 20—22.

5. Неверова О.А. Эколого-физиологическая оценка состояния ассимиляционного аппарата сосны обыкновенной в условиях антропогенного загрязнения г. Кемерово // Сибирский экологический журнал. 2003. № 6. Т. 10. С. 773—779.

6. Махнев А.К. Внутривидовая изменчивость и популяционная структура берёз секции Albae и Nanae. М.: Наука, 1987. 128 с.

7. Алексеев В.А., Лянгузова И.В. Влияние загрязнения на изменение морфоструктуры деревьев // Лесные экосистемы и атмосферное загрязнение. Л.: Наука, 1990. С. 87—94.

8. Алексеев Ю.В. Тяжёлые металлы в почвах и растениях. Л.: Агропромиздат, 1987. 170 с.