Влияние газохимического загрязнения на древесные растения

БИОЛОГИЧЕСКИЕ НАУКИ

УДК 581.522.4

Р.А. Сейдафаров

канд. биол. наук, учитель биологии, МАОУ СОШ № 7, п.г.т. Приютово

Р. Р. Сафиуллин

ученик 11 класса, МАОУ СОШ № 7, п.г.т. Приютово

ВЛИЯНИЕ ГАЗОХИМИЧЕСКОГО ЗАГРЯЗНЕНИЯ НА ДРЕВЕСНЫЕ РАСТЕНИЯ

Аннотация Изучены эколого-биологические особенности основных лесообразующих видов -березы повислой, липы мелколистной, клена остролистного и тополя бальзамического в условиях смешанного типа загрязнения пос. Приютово Республики Башкортостан. Установлены общие и ви-доспецифические реакции ассимиляционного аппарата и корневых систем указанных видов в ответ на загрязнение. Охарактеризованы аккумулирующие способности листьев и корней. Показано, что адаптивный потенциал данных видов реализуется на различных структурно-функциональных уровнях организации.

Ключевые слова: относительное жизненное состояние, морфологические параметры, водный режим, масса корней, длина корней, аккумуляция, адаптационная реакция.

R.A. Seydafarov, School № 7, Priyutovo

R.R. Safiullin, School № 7, Priyutovo

THE INFLUENCE OF GAS CHEMICAL POLLUTION ON TREES OF ROOTS IN THE SOIL

Abstract. Study of the ecological and biological characteristics of the main forest-forming species of the Priyutovo settlement - Betula pendula, Tilia cordata, Acer platanoides and Populus balsamifera in a mixed pollution of Priyutovo settlement. General and species-specific reactions of both assimilation apparatus and root systems of these species in response to pollution were investigated in conditions of pollution. The accumulating abilities of leaves and roots were characterized. It is shown that the adaptive potential of these species being implemented at various levels of structural and functional organization.

Keywords: relative living condition, morphological parameters, water treatment, the mass of roots, root length, accumulation, adaptive response.

В настоящее время большинство дендроэкологических исследований посвящены изучению роста и развития древесных растений в условиях крупных индустриальных центров федерального значения. Между тем, подобные исследования также крайне важны для небольших промышленных узлов республиканского значения.

Поселок Приютово расположен в Белебеевском районе Республики Башкортостан. На его территории действует «Газоперерабатывающее производство ОАО АНК «Башнефть» филиала «Башнефть-Ишимбай», ежегодно выбрасывающее более 100 тыс. т загрязняющих веществ [1]. В связи с этим актуален вопрос о создании сани-тарно-защитных насаждений в непосредственной близости от источников загрязнения.

Цель исследования - изучить адаптационные реакции древесных растений в условиях промышленного загрязнения пос. Приютово.

Материал и методы

Введение

Объектами исследования послужили насаждения березы повислой (Betula pendula Roth.), липы мелколистной (Tilia cordata Mill.), клена остролистного (Acer platanoides L.) и тополя бальзамического (Populus balsamifera L.), произрастающие в условиях смешанного типа загрязнения поселка. Район исследования поделен на две зоны: зона сильного загрязнения - в непосредственной близости от источников промышленного загрязнения, и зона контроля - 30 км от источников загрязнения против направления господствующих ветров. Заложено 8 пробных площадей (ПП): по четыре в каждой зоне (рис. 1). Закладка пробных площадей проводилась согласно стандартным и имеющим длительное практическое применение методикам [2; 3].

Вначале были определены первичные таксационные параметры: высота дерева, диаметр ствола на высоте 1,3 м [2; 4]. На основании этих данных выбраны десять модельных деревьев в каждой ПП, у которых определялся возраст при помощи денд-рохронологических методов исследования [5]. Оценку жизненного состояния проводили, используя методику В. А. Алексеева [6].

Рисунок 1 - Разделение района исследования на зоны загрязнения

Листья для морфологического исследования собирали в течение вегетационного периода (июнь - август). Образцы брались с южной части кроны модельных деревьев на высоте до 2 м. Собранные листья гербаризировались.

Исследования проводились на гербарном материале. Из каждой партии листьев рандомизированно [7] выбирались 20 листьев, у которых измерялась площадь листа (см2). Длину жилок и устьичный индекс определяли на гербаризированных образцах листьев при стократном увеличении на световом ивВ-микроскопе.

Изучение водного режима проводилось в полевых условиях в течение вегетационного периода (июнь - август) в последнюю декаду каждого месяца. Определялись относительное содержание воды (ОСВ), дефицит водного насыщения (ДВН) и интенсивность транспирации (ИТ). Для определения параметров водного режима использовалась методика быстрого взвешивания [2; 8].

Для изучения корневых систем методом монолита закладывались почвенные

траншеи [9] перпендикулярно направлению роста горизонтальных корней на расстоянии 70 см от ствола, без учета сторон горизонта. Все почвенные разрезы имели одинаковые размеры: 1,5 х 1,0 м. Вертикальность стенок контролировалась с помощью отвеса. Траншеи закладывались до глубины 1 м. Корненасыщенность почвы методом монолитов определялась на единицу площади горизонтальной поверхности (г/м2 и см/м2).

Содержание металлов в листьях и почве определяли атомно-абсорбционным методом.

Статистическую обработку данных проводили стандартными методами с использованием программы Excel 2007.

Результаты исследования и обсуждение

Исследованные древостои имели возраст 31-40 лет, что соответствует приспевающему возрасту для мягколиственных пород (табл. 1).

Таблица 1 - Таксационная характеристика пробных площадей в древостоях исследованных видов

Вид Возраст, лет Средний диаметр, см Средняя высота, см

ЗЗ ЗК ЗЗ ЗК ЗЗ ЗК

Клен остролистный 34,3 27-41 39,7 29-48 8,5 7,3-12,8 8,4 7,7-14,7 10,2 3,0-12,4 10,9 4,1-12,3

Береза повис- 35,8 37,4 29,8 31,5 16,2 18,3

лая 21-43 28-54 20,0-37,5 26,4-39,6 9,0-21,0 11,0-25,0

Липа мелколи- 36,2 35,2 16,1 15,8 14,4 14,2

стная 31-39 31-37 10,0-31,5 12,0-28,5 8,0-17,0 7,0-19,0

Тополь бальза- 35,2 37,3 34,7 33,8 25,3 23,9

мический 31-37 31,5-43,9 27,0-45,0 29,5-41,2 18,0-27,0 9,0-18,0

Примечание: ЗЗ - зона загрязнения; ЗК - зона контроля; в числителе - среднее значение показателя, в знаменателе - пределы колебаний.

Древостои липы мелколистной в условиях загрязнения оцениваются как «ослабленные», (Ц|=72,3 %; Ц| - индекс ОЖС (относительного жизненного состояния), березы повислой - как «здоровые» (Ц|=82,7 %), тополя бальзамического - как «сильно ослабленные» (Ц|=41,2 %), клена остролистного - как «здоровые» (Ц|=81,9 %). В зоне контроля все изученные древостои оцениваются как «здоровые» (Ц| более 80 %).

У березы, липы и тополя наблюдается уменьшение площади листовой пластинки при усилении загрязнения: у березы - с 13,2 до 9,7 см2; у липы - с 39,1 до 29,8 см2; у тополя - с 30,9 до 20,2 см2. Это может быть связано с подавлением токсикантами активности меристематических клеток. У клена остролистного при усилении загрязнения площадь листа увеличивается: с 72,8 до 83,9 см2. Листья березы повислой и клена остролистного характеризуются в целом примерно одинаковыми значениями флуктуирующей асимметрии во всех исследованных условиях (0,052-0,074). Стабильность развития липы уступает стабильности развития березы (0,062-0,084). У тополя бальзамического четко прослеживается дестабилизация развития (0,01 в контроле; 0,168 в зоне загрязнения). При усилении загрязнения наблюдается увеличение устьичного индекса березы повислой (с 185 до 375 шт./см2), липы мелколистной (с 163 до 412 шт./см2) и клена остролистного (с 123 до 234 шт./см2). Данная особенность может быть связана с тем, что при повышенном уровне загрязнения происходит нарушение газо-

обмена листьев с окружающей средой. Большое же количество устьиц может служить средством улучшения регулирования интенсивности газообмена в условиях техногене-за. Устьичный индекс тополя бальзамического при увеличении загрязнения уменьшается (с 313 до 224 шт./см2).

Проводящая система листьев исследованных видов характеризуется чувствительностью по отношению к увеличению степени промышленного загрязнения (уменьшение в среднем с 5 до 15 мм/мм2). Данная особенность может быть связана с ингиби-рованием промышленными токсикантами, попадающими в лист, деления клеток камбия, ответственных за формирование проводящей системы листа. Листья липы, березы и клена характеризуются высоким ОСВ. Данный параметр варьирует от 83,5 % до 96,5 % (±11 %) вне зависимости от изменения уровня загрязнения. Поэтому указанные виды не испытывают дефицита водного насыщения. Колебания данного параметра при изменении степени промышленного загрязнения и в суточной динамике не превышают 7 %. ОСВ тополя составляет 45-55 % в зоне загрязнения и 70,0-81,5 % в зоне контроля. У липы и березы отмечено усиление транспирации при увеличении загрязнения (в среднем с 210,5 до 403,6 мг/г сырого веса в час). У тополя и клена - уменьшение (в среднем с 242,5 до 93,2 мг/г).

Установлена способность деревьев накапливать некоторые металлы в листьях в течение вегетации в условиях загрязнения: Си (44,3-58,3 мг/кг), Мп (834-1145,7 мг/кг), РЬ (4,3-7,1 мг/кг), N (56,2-103,8 мг/кг), гп (0,02-0,17 мг/кг), Сг (2,3-45,4 мг/кг), Со (1,32,5 мг/кг), СЬ (0,56-1,38 мг/кг). В зоне контроля содержание указанных металлов в листьях в 3-10 раз меньше. Наибольшей аккумулирующей способностью обладают береза и липа, несколько меньшей - клен. Наихудшей - тополь.

Липа, береза и клен характеризуются увеличением корненасыщенности почвы при увеличении загрязнения как в отношении массы (в среднем с 3256,3 до 9127,5 г/м2), так и в отношении длины корней (с 404579,0 до 975994,4 см/м2). Количество выходов корней на стенках траншей тоже увеличивается при усилении загрязнения для данных видов (с 347 до 585 шт./м2 в среднем). Увеличение корненасыщенности может являться защитной адаптационной реакцией, направленной на компенсацию повреждений надземных вегетативных органов и накопление токсикантов в скелетных корнях.

В почве в зоне загрязнения содержатся следующие металлы (глубина 0-30 см): Си (22,0-33,7 мг/кг), Мп (1178-1202,4 мг/кг), N (117,0-152,8 мг/кг), Сг (2,3-45,4 мг/кг), Со (22,3-28,7 мг/кг), СЬ (0,32-0,34 мг/кг). В зоне контроля указанные концентрации меньше таковых в зоне загрязнения в среднем в 7-10 раз.

Таким образом, адаптационный потенциал исследованных видов в условиях промышленного загрязнения реализуется на различных структурно-функциональных уровнях организации. Наиболее широкими адаптивными возможностями характеризуются береза повислая и клен остролистный. Несколько меньшим - липа мелколистная. Данные виды могут быть рекомендованы для создания санитарно-защитных насаждений вблизи источников загрязнения в поселке Приютово. Тополь бальзамический характеризуется слабым адаптивным потенциалом и не может быть рекомендован в качестве вида для создания подобных насаждений.

Заключение

Таким образом, адаптивный потенциал липы мелколистной, березы повислой и клена остролистного к условиям загрязнения реализуется на различных уровнях организации. Взаимосвязь адаптивных реакций надземной и подземной частей обеспечивает высокую устойчивость данных видов к действию промышленных загрязнителей.

Широкими адаптивными возможностями характеризуются береза повислая, липа мелколистная и клен остролистный. Данные виды, также как и липа мелколистная, могут быть рекомендованы для создания санитарно-защитных насаждений вблизи источников загрязнения. Тополь бальзамический характеризуется слабым адаптивным потенциалом и не может быть использован в качестве фитофильтра в данном регионе.

Список литературы:

1. Государственный доклад о состоянии окружающей природной среды Республики Башкортостан в 2009 г. - Уфа, 2009. 342 с.

2. Андреева Е. Н., Баккал, И.Ю., Горшков В. В., Лянгузова И.В. Методы изучения лесных сообществ. СПб., 2002. 240 с.

3. Сукачев В. Н. Программа и методика биогеоценологических исследований. М., 1966. 333 с.

4. Ушаков А. И. Лесная таксация и лесоустройство. М., 1997. С. 54-55.

5. Ваганов Е. А., Шашкин А. В. Роль и структура годичных колец хвойных. Новосибирск, 2000. 232 с.

6. Алексеев В. А. Некоторые вопросы диагностики и классификации поврежденных загрязнением лесных экосистем // Лесные экосистемы и атмосферное загрязнение. Л., 1990. С. 38-54.

7. Клейн Р. М., Клейн Д. Т. Методы исследования растений. М., 1974. 527 с.

8. Иванов Л. А., Силина А. А., Цельникер Ю. Л. О методе быстрого взвешивания для определения транспирации в естественных условиях // Бот. журн. 1950. Т. 35, № 2. С. 171-185.

9. Рахтеенко И. Н. Корневые системы древесных и кустарничковых пород. М., 1952. 106 с.

List of references:

1. State report on the state of the environment of the Republic of Bashkortostan in 2009. Ufa: ADI-Press, 2009. 301 p.

2. Andreeva E.N., Bakkal, I.J., Gorshkov V.V., Lyanguzova I.V. Methods of studying of forest communities. St. Petersburg., 2002. 240 p.

3.Sukachev V.N. Program and methodology of biological research. M., 1966. 333 p.

4. Ushakov A.I. Forest Inventory and forest management. M.,1997. P. 54-55.

5. Vaganov E.A., Shashkin A.V. The role and structure of the tree rings of conifers. - Novosibirsk: Publishing House of SB RAS, 2000. 232 p.

6. Alekseev V.A. Some of the issues of diagnosis and classification of pollution damaged forest ecosystems / / Forest Ecosystems and Atmospheric Pollution. Leningrad: Nauka, 1990. P. 38 - 54.

7. Klein RM, Klein, D. T. Methods for studying plants. M., 1974. 527 p.

8. Ivanov, L.A., Silin A.A., Tselniker J.L. The method of fast weighing for determining transpiration of in vivo / / Bot. journal. In 1950. T. 35, № 2. P. 171-185

9. Rahteenko I.N. The root systems of trees and shrub species. M., 1952. 106 p.