ИССЛЕДОВАНИЕ СОСНЫ ОБЫКНОВЕННОЙ КАК БИОИНДИКАТОРА ЗАГРЯЗНЕНИЯ ЛЕСНЫХ ЭКОСИСТЕМ

ХИМИЧЕСКАЯ ТЕХНОЛОГИЯ ПЕРЕРАБОТКИ РАСТИТЕЛЬНОГО СЫРЬЯ

УДК 502

Хвойные бореальной зоны. 2019. Т. XXXVII, № 2. С. 162-166

ИССЛЕДОВАНИЕ СОСНЫ ОБЫКНОВЕННОЙ КАК БИОИНДИКАТОРА ЗАГРЯЗНЕНИЯ

ЛЕСНЫХ ЭКОСИСТЕМ

С. В. Соболева, О. А. Есякова, В. М. Воронин

Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31

Исследована возможность использования сосны обыкновенной в качестве биоиндикатора загрязнения лесных экосистем на примере Богучанского района Красноярского края. Целью исследования являлась оценка антропогенного воздействия на лесную экосистему Богучанского района с использованием в качестве биоиндикатора хвои сосны обыкновенной. Исследуемые образцы отбирались в районах с различной антропогенной нагрузкой, в качестве фона использовалась пробная площадка в районе леспромхоза поселка Манзя. Оценка степени загрязнения атмосферного воздуха проводилась по оценочной шкале, включающей возрастные характеристики хвои, а также классы повреждения хвои на побегах второго года жизни. На основании проведенных исследований рассчитывался показатель жизненного состояния древостоев. Для этого определялись средняя арифметическая длина хвои сосны обыкновенной, ее объем, влажность и зольность. По значению зольности судили об увеличении антропогенной нагрузки на лесную экосистему: для фонового участка показатель составил 1,93 %; загрязненных - от 2,2 до 2,6 %. Объем хвои определяли двумя различными методами (морфомет-рическим и волюмометрическим) с целью выбора наиболее доступного, достоверного и наименее затратного метода. Качество атмосферного воздуха оценивали по морфометрическим и гравиметрическим показателям хвои сосны обыкновенной трех пробных участков с различной антропогенной нагрузкой. В соответствии с сезонной динамикой изменения влажности хвои сосны обыкновенной установлено, что содержание влаги в хвое в большей степени зависит от места произрастания древостоя, и в меньшей - от сезона года. По результатам исследований состояния хвои сосны обыкновенной судили о нарастании техногенной нагрузки на лесные экосистемы Богучанского района. Полученные данные могут быть использованы при оценке уровня загрязнения атмосферы экосистем в труднодоступных для мониторинга районах.

Ключевые слова: сосна обыкновенная, биоиндикация, загрязнение атмосферы, лесные экосистемы.

Conifers of the boreal area. 2019, Vol. XXXVII, No. 2, P. 162-166 THE STUDY OF SCOTS PINE AS A BIOINDICATOR OF FOREST ECOSYSTEMS POLLUTION

S. V. Soboleva, O. A. Esyakova, V. M. Voronin

Reshetnev Siberian State University of Science and Technology 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation

The paper investigates the possibility of using Scots pine as a bioindicator offorest ecosystems air pollution on the example of Boguchansky district. The aim of the study was to assess the anthropogenic impact on the forest ecosystem of Boguchansky district using as a bioindicator pine needles, growing in areas with different anthropogenic load, as the background used a test site in the area offorestry country Manza. We assessed the degree of atmospheric air pollution on the evaluation scale, which includes age-related characteristics of pine needles, and classes of damage of the needles on the shoots of the second year of life. On the basis of the conducted research the indicator of the vital state of forest stands was calculated. Samples were analysed on the performance of the arithmetic average length of the needles of Scots pine, volume of pine needles, humidity, ash content. The increase in ash content was judged to increase the anthropogenic load on the forest ecosystem: for the background area 1,93 %; contaminated - from 2.2 to 2.6 %. The volume of needles was determined by two different methods (morphometric and volumetric) in order to select the most affordable and least expensive method. Atmospheric air quality was assessed by morphometric and gravimetric parameters of pine needles in tree areas with different anthropogenic load. According to the seasonal dynamics of changes in humidity ofpine needles, it was found that the moisture content in the needles depends more on the place of growth the forest stand, and less on the season of the year. According to the results of studies judged on the increase

Хвойные бореальной зоны. XXXVII, № 2, 2019

of anthropogenic load on forest ecosystems in the Boguchansky district. The obtained data can be used to assess atmospheric pollution of forest ecosystems in remote areas.

Keywords: Scots pine, bioindication, atmospheric pollution, forest ecosystems.

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время идет интенсивное освоение северных и восточных районов территории Красноярского края (п. Богучаны). Концентрация таких объектов, как БоАЗ, ЦБК и др. в пределах формирующихся промышленных узлов может привести к деградации окружающей среды, изменению метеоусловий, накоплению синергических эффектов различных поллю-тантов. Такие явления можно наблюдать в районе строительства ЦБК (дер. Ярки) [1].

ЦЕЛЬ ИССЛЕДОВАНИЯ

Дать оценку антропогенного воздействия на лесные экосистемы Богучанского района Красноярского края биоиндикационными методами.

МЕТОДЫ И ОБЪЕКТЫ

ИССЛЕДОВАНИЯ

В качестве объекта исследования выступала хвоя сосны обыкновенной, насаждения которой повсеместно встречаются в районах с различной антропогенной нагрузкой, в качестве фона использовались пробы, отобранные в районе леспромхоза пос. Манзя. Пробы отбирали ввесенне-осенний период 2018 года с молодняка массива деревьев в количестве не менее 10 шт. на высоте 1,3 м от земли. Пробы анализировались на определение показателя средней арифметической длины хвои сосны обыкновенной, ее влажность и зольность [2; 3].

Результаты исследований обрабатывались статистически с помощью пакета программ Microsoft Ехсе1 с достоверностью Р < 0,05.

Методика проведения данных исследований заключалась в следующем: выбирались сосны высотой 2-3 м на открытой местности с 8-15 боковыми побегами. Очень важен при выборе деревьев показатель вытоптанности участка произрастания сосны, который оценивается баллами 1-4: 1 - вытаптывания нет; 2 - вытоптаны тропы; 3 - нет ни травы, ни кустарников; 4 - осталось немного травы вокруг деревьев. При вытоптанности территории, оцениваемой баллами 3 и 4, экспресс-оценка воздушного загрязнения невозможна.

У каждого дерева осматривались хвоинки предыдущего года (вторые сверху мутовки) [4]. Всего собирались не менее 30 хвоинок (в нашем случае было отобрано 34-40 хвоинок) с каждой точки наблюдения.

Оценка качества среды по отклику биологических объектов более объективна, чем сопоставление концентрации отдельных загрязнителей с нормативами, поскольку метод биоиндикации учитывает влияние всех, включая не специфические и не идентифицированные соединения, их сочетанного действия. Находясь в загрязненной среде, растения адаптируются к условиям произрастания, что выражается в приспособлении структуры и функций их организма. Процесс адаптации осуществляется путем изменения интенсивности обмена веществ, в первую очередь в ассимиляционном аппарате [5]. Проводилась оценка степени загрязнения атмосферного воздуха по оценочной шкале, включающей возрастные характеристики хвои, а также классы повреждения хвои на побегах второго года жизни (табл. 1).

Для наблюдения было взято 3 пробных площади в чистом, загрязненном и фоновом районах. Исследование проводилось по специальной шкале - шкала категорий состояния деревьев, включающей:

1. Здоровое дерево. Дерево не имеет видимых повреждений кроны и ствола (> 10 %). Закончившая рост хвоя зеленого или темно-зеленого цвета. Продолжительность жизни хвои рассматривается в зависимости от региона.

2. Поврежденное дерево. Снижение густоты на 30 % за счет преждевременного опадения или недоразвития хвои, или повреждения кроны, наличие

< 30 % усохших ветвей в верхней части дерева, выключение из ассимиляционной деятельности 30 % всей площади хвои атмосферным загрязнением или другими причинами.

3. Сильно поврежденное дерево. Снижение густоты на 60 % за счет преждевременного опадения или недоразвития хвои, или повреждения кроны, наличие

< 60 % усохших ветвей в верхней части дерева, выключение из ассимиляционной деятельности 60 % всей площади хвои атмосферным загрязнением или другими причинами.

Таблица 1

Оценка степени повреждения хвои

Максимальный возраст хвои Класс повреждения хвои на побегах второго года жизни

1 2 3

4 I I-II III

3 I II III-IV

2 II III IV

2 - IV IV-V

1 - IV V-IV

1 - - VI

Примечания: I - воздух идеально чистый; II - чистый; III - относительно чистый («норма»); IV - загрязненный («тревога»); V - грязный («опасно»); VI - очень грязно («вредно»); - невозможные сочетания [6].

4. Отмирающее дерево. Крона разрушена, ее густота менее 15-20 % по сравнению со здоровой: более 70 % ветви по всему стволу дерева, усыхающие или сухие. Оставшаяся на дереве хвоя бледно-желтого или оранжево-красного цвета.

5. Умершие деревья: свежий сухостой - деревья, умершие менее года назад; старый сухостой - деревья, умершие более года назад (постепенно утрачиваются ветви и кора).

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

И ОБСУЖДЕНИЕ

Жизненное состояние древостоев определяется по состоянию кроны, хвои, по отмирающим ветвям. На основании проведенных исследований рассчитывали показатель жизненного состояния древостоев. Индекс состояния древостоев оценивается по бальной системе: 1-1,5 - здоровые, 1,6-2,5 - ослабленные, 2,6-3,5 -сильно ослабленные, 3,6-4,5 -отмирающие, 4,6 и выше - сухостой.

В табл. 2 представлены данные по структуре насаждений древостоев сосны обыкновенной и показателям средней арифметической массы 30 шт. хвоинок п. Богучаны и приближенным к нему районам.

Согласно данным табл. 2 можно проследить изменение структуры насаждений древостоев сосны обыкновенной в зависимости от места произрастания. На участке п. Богучаны 50 м от трассы (№2 3) наблюдается наибольшее отклонение от фоновых значений -20 %, ослабленные деревья составляют 15 %, поврежденные -2 %, отмирающие - 3 %. На участке № 2 (п. Богучаны 500 м) от автомагистрали наблюдается отличие от фонового с содержанием здоровых деревьев - 85 %, ослабленных - 10 % и отмирающих и поврежденных - 5 %, что характеризует этот участок как наиболее приближенный к фоновому.

Изменение гравиметрических показателей хвои под воздействием загрязнения атмосферы обусловлено как непосредственно ослаблением метаболической активности организма, так и изменением влажности хвои. Это выражается в уменьшении прироста и биомассы деревьев. Не менее важны при оценке степени загрязнения атмосферного воздуха морфометрические показатели: длина, ширина, толщина, масса и объем хвои сосны обыкновенной. Происходящие изменения могут служить основанием для использования хвои сосны обыкновенной в качестве биомаркера загрязнения воздушной среды территории. Эти данные приведены в табл. 3 и 4.

Таблица 2

Структура насаждений древостоев сосны обыкновенной п. Богучаны, % на сентябрь 2018 г.

Насаждения Здоровые Ослабленные Поврежденные Отмирающие

Фоновое (в районе 93 5 1 1

леспромхоза № 1)

п. Богучаны 500 м 85 10 2 3

от автомагистрали

п. Богучаны 50 м 80 15 2 3

от автомагистрали

Таблица 3

Категория загрязнения атмосферного воздуха по морфометрическим показателям

хвои сосны обыкновенной

№ Место произрастания Возраст Размер хвои, мм Категория загряз-

участка хвои длина ширина толщина нения

1 Фоновое 1 56,8+0,6 1,10+0,1 0,99+0,1 чистый

(в районе леспромхоза) 2 55,5+0,9 1,05+0,2 0,98+0,2

2 п. Богучаны 1 52,9+0,4 1,08+0,1 0,94+0,1 относительно

500 м от автомагистрали 2 53,5+0,3 1,02+0,2 0,95+0,2 чистый

3 п. Богучаны 1 46,5+0,4 0,98+0,3 0,95+0,1 загрязненный

50 м от автомагистрали 2 50,5+0,5 1,00+0,2 0,94+0,2

Таблица 4

Категория загрязнения атмосферного воздуха при оценке гравиметрических показателей

хвои сосны обыкновенной

№ участка Место произрастания Биомасса хвои, мг Зольность хвои, в пересчете на а.с.с. % Категория загрязнения

первого года второго года первого года второго года

1 Фоновое (в районе леспромхоза) 42,3+0,5 45,2+0,4 1,93+0,03 2,05+0,45 чистый

2 п. Богучаны 500 м от автомагистрали 35,0+0,4 36,8+0,6 2,14+0,08 2,20+0,07 относительно чистый

3 п. Богучаны 50 м от автомагистрали 30,9+0,5 32,8+0,3 2,50+0,04 2,61+0,09 загрязненный

Хвойные бореальной зоны. XXXVII, № 2, 2019

Согласно полученным данным можно проследить изменение морфометрических и гравиметрических показателей хвои исследуемых участков. Так, средняя арифметическая масса образцов хвои позволяет оценить состояние древостоя в целом и его жизненную способность и энергию по принципу: чем больше масса, тем лучше жизненное состояние дерева. Показатель зольности выражает обратную зависимость, с его увеличением повышается антропогенное загрязнение среды, тем самым увеличивая вклад минеральных компонентов в биомассу хвои.

Фоновый участок (категория загрязнения - «чистый воздух») с этой точки зрения наиболее благополучен, на нем наблюдается максимальная длина, биомасса хвои и минимальное содержание минеральных компонентов в хвое. Показатели объекта исследования на участке № 2 наиболее приближены к фоновому и отличаются от него на 5-7 %, что позволяет классифицировать его как «условно чистый». Показатели участка № 3 существенно отличаются от двух предыдущих, и по сравнению с фоновым меньше на 16-18 %. В то же время зольность пробы золы увеличивается и в среднем составляет 2,55 %. Это позволяет с некоторым приближением рассматривать его как загрязненный (по отношению к фоновому).

Данные по объему хвои также могут служить в качестве показателя, характеризующего степень негативного воздействия окружающей среды на метаболизм ассимиляционного аппарата растений, то есть мерой загрязненности среды [7]. Представляет интерес сравнение двух различных методов определения

объема хвои с целью выбора наиболее доступного, достоверного и в тоже время, наименее затратного метода. Сравнительные данные приведены в табл. 5.

Согласно полученным результатам, более информативными являются данные по хвое 1-го года, в течение которого в большей мере происходит адаптация биосинтетических процессов к условиям произрастания растений. Это характерно для участков, подверженных антропогенному влиянию. На фоновом участке обратная зависимость - хвоя 1-го года произрастания дает наибольший прирост и объем по сравнению с двухгодовалой хвоей. Сопоставление результатов исследования указывает на совпадение дифференциации участков по оценке интенсивности загрязнения воздушной среды по объему хвои с использованием различных методов. Судя по величине разбросов отклонения данные, полученные морфометрическим методом, представляются наиболее достоверными.

Гравиметрические изменения хвои под воздействием загрязнения атмосферы обусловлены как непосредственно ослаблением метаболической активности организма, так и изменением его влажности (см. рисунок).

Согласно представленным данным необходимо отметить существенное отличие влажности хвои сосны обыкновенной на фоновом участке (№ 1), независимо от сезона года она составила 59-62 %, что на 5,5 % выше, чем на уч. № 2. Исследуя влажность хвои загрязненного участка, можно увидеть существенное снижение показателя до 45-48 %, что в конечном итоге на 10 % ниже фонового.

Таблица 5

Определение объема хвои волюмометрическим и морфометрическим методами

№ уча- Место произрастания Возраст Объем, мм3, найденный методами Отклонение, %

стка хвои, год волюмометрическим морфометриическим

1 Фоновая 1 63,00+0,5 61,80+0,1 1,92

(в районе леспромхоза) 2 59,00+0,5 57,10+0,2 3,27

2 п. Богучаны 1 55,00+0,4 53,70+0,1 2,24

500 м от автомагистрали 2 50,5+0,3 51,84+0,2 -2,60

3 п. Богучаны 1 45,00+0,2 43,29+0,3 3,87

50 м от автомагистрали 2 46,00+0,4 47,8+0,2 -3,83

80

! ни ИИ II I

50 м 500 м Фоновая

от автомагистрали от автомагистрали

Зима 2018 г  Весна 2018 г.  Осень 2018 г.  среднее

Сезонная динамика изменения влажности хвои сосны обыкновенной, %

Анализируя данные по сезонной динамике изменения влажности хвои сосны обыкновенной, необходимо отметить, что содержание влаги в хвое в большей степени зависит от места произрастания древостоя, и в меньшей - от сезона года, что согласуются с полученными ранее результатами по сосне обыкновенной [8; 9].

ВЫВОДЫ

По результатам исследований состояния хвои сосны обыкновенной за период 2018 г. можно отметить нарастание техногенной нагрузки на лесные экосистемы Богучанского района Красноярского края по мере приближения к объектам антропогенного воздействия. Полученные данные могут быть использованы при оценке загрязнения лесных экосистем с использованием в качестве биоиндикатора хвои сосны обыкновенной в труднодоступных районах, не подлежащих систематическому мониторингу состояния окружающей среды.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЕ ССЫЛКИ

1. О состоянии и охране окружающей среды в Красноярском крае в 2017 году : гос. докл. / КГБУ «ЦРМПиООС». Красноярск, 2018. 301 с.

2. Соболева С. В., Ченцова Л. И., Почекутов И. С. Исследование морфофизиологических показателей насаждений сосны обыкновенной (Pinus sylvestris) в разных экологических условиях // Вестник КрасГАУ. 2018. № 1. С. 199-205.

3. Воронин В. М., Соболева С. В. Изучение биоиндикационной способности сосны обыкновенной (Pinus sylvestris) // Материалы VI Междунар. симпоз. им. Б. Н. Уголева, посвящ. 50-летию Регион. координационного совета по соврем. проблемам древесиноведения (10-16 сентября 2018 г., Красноярск). Новосибирск : Изд-во СО РАН, 2018. С. 56-61.

4. Мелехова О. П., Егорова Е. И. Биологический контроль окружающей среды: биоиндикация и биотестирование. М. : Академия, 2007. 288 с.

5. Степень Р. А., Есякова О. А., Соболева С. В. Оценка загрязнения атмосферы биоиндикационными методами / Сиб. гос. технологич. ун-т. Красноярск, 2013. 142 с.

6. Алексеев В. А., Рак Л. Д. Признаки ослабления деревьев ели под влиянием атмосферного загрязнения // Лесоведение. 1985. № 5. С. 37-43.

7. Лесные экосистемы и атмосферное загрязнение / под ред. В. А. Алексеева. Л. : Наука, 1990. 200 с.

8. Бережная Н. С. Мониторинг атмосферного загрязнения лесов юго-западной части Байкальского региона // Современные проблемы байкаловедения. Иркутск : ИГУ, 2001. С. 9-18.

9. Соболева С. В., Беляева К. С., Почекутов И. С. Сосна обыкновенная как биоиндикатор загрязнения атмосферы // Лесной и химический комплексы - проблемы и решения : сб. ст. по материалам Всерос. на-уч.-практ. конф. (7 декабря 2017 г., Красноярск) / Сиб. гос. технологич. ун-т. Красноярск, 2017. С. 25-29.

REFERENCES

1. On the state and environmental protection in the Krasnoyarsk region in 2017 : state doc. / KGBU "Creio". Krasnoyarsk, 2018, 301 р.

2. Soboleva S. V., Chentsova L. I., Pochekutov I. S. Study of morphophysiological parameters of Scots pine plantations (Pinus sylvestris) in different environmental conditions // Vestnik Krasgau. 2018, No. 1, Р. 199-205.

3. Voronin V. M., Sobolev, S. V., Study of ability of Scots pine (Pinus sylvestris) // proceedings of the VI Intern. the international Symposium. they. B. N. Ogoleva, internat. the 50th anniversary of the Region. coordinating сouncil on the lie. problems of wood science (10-16 September 2018, Krasnoyarsk). Novosibirsk, SB RAS, 2018, P. 56-61.

4. Melekhova O. P., Egorova E. I. Biological control of the environment: bioindication and biotesting. Moscow, Academy, 2007, 288 p.

5. Stepen R. A., Esakova O. A., Sobolev S. V. Assessment of air pollution bioindicative methods / Sib. State Technologist. Univ. Krasnoyarsk, 2013, 142 р.

6. Alekseev V. A., Cancer L. D. Signs of weakening of spruce trees under the influence of atmospheric pollution // forestry. 1985, No. 5, P. 37-43.

7. Forest ecosystems and atmospheric pollution / ed. by V. A. Alekseev. Leningrad, Science, 1990. 200 р.

8. Careful N. C. Monitoring of atmospheric pollution of forests in the South-Western part of the Baikal region // Modern problems of Baikal studies. Irkutsk, ISU, 2001, P. 9-18.

9. Soboleva S. V., Belyaeva, K. S., I. S. Pochekutov Pine as bioindicator of air pollution // the Forest and chemical complexes - problems and solutions : collection of articles on materials of vseros. science.-prakt. сonf. (7 December 2017, Krasnoyarsk) / Sib. State Technologist. Univ. Krasnoyarsk, 2017, P. 25-29.

© Соболева С. В., Есякова О. А., Воронин В. М., 2019

Поступила в редакцию 19.02.2019 Принята к печати 21.03.2019