Оценка влияния загрязнения среды и почвенных факторов на показатели флуктуирующей асимметрии листа березы повислой (Betula pendula Roth. ) в г. Красноярске

УДК 58.02.57.018.634.725 О.М. Шабалина, Т.Н. Демьяненко

ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ ЗАГРЯЗНЕНИЯ СРЕДЫ И ПОЧВЕННЫХ ФАКТОРОВ НА ПОКАЗАТЕЛИ ФЛУКТУИРУЮЩЕЙ АСИММЕТРИИ ЛИСТА БЕРЕЗЫ ПОВИСЛОЙ

В г. КРАСНОЯРСКЕ

В статье исследовано влияние общего загрязнения среды и почвенно-грунтовых условий на показатели нестабильности развития (флуктуирующей асимметрии) листьев березы повислой в г. Красноярске. Выявлено, что повышение уровня асиметрии связано не столько с уровнем загрязнения среды, сколько с влиянием физических, физико-химических и биологических свойств почв, что ограничивает применение данной методики для оценки качества среды.

Ключевые слова: флуктуирующая асимметрия, береза повислая, почва, физико-химические свойства, биологические свойства.

O.M. Shabalina, T.N. Demyanenko

ESTIMATION OF ENVIRONMENT POLLUTION AND SOIL FACTOR INFLUENCE ON THE INDICATORS OF THE DROOPING BIRCH (BETULA PENDULA ROTH.) LEAF FLUCTUATING ASYMMETRY IN KRASNOYARSK

Influence of general environment pollution and soil conditions on the indicators of the drooping birch leaf unstable development (fluctuating asymmetry) in Krasnoyarsk city is researched in the article. It is revealed that asymmetry level increase is not connected so much with environment pollution level, but with influence of physical, physical and chemical and biological soil properties that limits the given technique application in order to estimate the environment quality.

Key words: fluctuating asymmetry, drooping birch, soil, physical and chemical properties, biological properties.

Введение. Явление симметрии в строении живых тел широко распространено в природе, однако обычны и отступления от строгой симметрии как направленные, так и случайные. Флуктуирующая асимметрия (ФА) - не направленные различия в проявлении признака на правой и левой стороне тела - более полувека рассматривается как маркер нестабильности развития [1]. Являясь показателем случайных отклонений в развитии, ФА одновременно является неспецифическим показателем условий развития, что дает возможность использовать ее для оценки условий существования как естественных, так и искусственных популяций [2]. Считается, что ФА проявляется тем отчетливее, чем сильнее внешние воздействия [3-5].

Существует методика оценки качества среды по ФА билатеральных признаков, одобренная распоряжением Росэкологии в 2003 году [6]. Однако опубликовано немало результатов исследований, в которых не было обнаружено повышения уровня ФА в условиях техногенного стресса [1, 7].

Цель исследований. Проверка применимости методики оценки качества среды по ФА билатеральных признаков березы повислой для индикации уровня техногенного загрязнения в городских условиях, а также поиск факторов, влияющих на уровень ФА.

Объекты и методы исследований. Объектами исследований послужили насаждения березы повислой из различных по степени загрязнения районов г. Красноярска.

Сбор материала осуществлялся в районах города, различающихся по уровню промышленного и автотранспортного загрязнения. Общий уровень загрязнения среды в пунктах исследований оценивался, исходя из опубликованных данных В.А. Беседина о степени загрязнения почв тяжелыми металлами (ТМ) и фтором (Р) [8] и концентрации СО в данной точке, расчет которой проводился по методике [9] на основании состава и интенсивности движения автотранспорта с применением коэффициентов, учитывающих аэрацию местности и наличие перекрестков.

Характеристика объектов исследований приведена в табл. 1. Из пяти исследованных районов два -Ветлужанка и о. Татышев - отличаются незначительным загрязнением, в остальных отмечается высокий общий уровень загрязнения среды.

Таблица 1

Характеристика объектов исследований

Место насаждения Местонахождение Тип посадок Степень загрязнения почв ТМ и Р* Содержание СО, мг/м3** Общий уровень загрязнения среды

Ветлужанка Октябрьский р-н, на территории Агрогородка Групповой Допустимое загрязнение 2,0 Незначительный

Красная площадь Железнодорожный р-н, вдоль улицы Профсоюзов Рядовой Высокоопасное загрязнение 37,0 Высокий

о. Татышев Советский р-н Групповой Допустимое загрязнение 0,02 Незначительный

Цирк Свердловский р-н, в районе Госцирка Рядовой Высокоопасное загрязнение 10,0 Высокий

Лазо Советский р-н, вдоль ул. Лазо Рядовой Высокоопасное загрязнение 14,0 Высокий

* По данным В.А. Беседина [8].

** Разовая ПДК СО составляет 5 мг/м3 [14].

Почвы исследуемых насаждений классифицированы в соответствии с «Классификацией почв России» [10]. Смешанные образцы почв отбирались из 10-15 повторностей на протяжении всего насаждения с учетом однородности рельефа. В отобранных образцах проводилось определение гранулометрического состава органолептически, плотности сложения - буровым методом, плотности твердой фазы почвы - пикнометрически, общей порозности - расчетным методом [11], углерода (С, %) - по Тюрину, рН водной вытяжки потен-циометрически, содержание подвижного фосфора - по Чирикову, аммиачного азота - колориметрическим методом с реактивом Несслера [12], потенциальной интенсивности почвенного дыхания - адсорбционным методом, потенциальной интенсивности целлюлозоразложения - аппликационным методом [13].

В соответствии с методикой [6] в каждом насаждении выборка составила 10 деревьев. Измерения и расчет интегральных показателей стабильности развития березы проводились по показателю дисперсии асимметрии как отношение абсолютной величины разности промеров слева и справа к их сумме: ФА=(1_-Р)/(1_+Я).

Для изучения морфометрических параметров побегов с каждого дерева из нижней части кроны в трехкратной повторности отбирались ветви с листьями. В ходе камеральной обработки проводились измерения по следующим признакам: длине годичного прироста побега, длине и ширине листовой пластинки, длине черешка, верхнему и нижнему углу листовой пластинки. Для оценки степени поврежденности листьев различными факторами - насекомыми-вредителями, болезнями, промышленными эмиссиями - использовался метод модельных ветвей. Для этого на каждой отобранной ветви рассчитывался процент листьев с различными повреждениями.

Статистическая обработка проводилась с помощью пакета статистических программ Excel. Для оценки достоверности различий между средними значениями параметров использовался однофакторный дисперсионный анализ.

Взаимосвязь между признаками ассимиляционного аппарата березы, уровнем автотранспортного загрязнения (определяемым по концентрации СО) и физико-химическими свойствами почв оценивалась с помощью корреляционного анализа. Для анализа использовали только достоверные сильные связи с r>0,7.

Результаты исследований и их обсуждение. Естественные аллювиально-светлогумусовые почвы обнаружены на острове Татышев. Почва под насаждением в Ветлужанке определена как абралит, так как представляет собой образование со спланированной верхней частью профиля и зачатками гумусового горизонта, что и позволило нам отнести ее к группе натурфабрикатов. Почвы остальных насаждений являются ур-биквазиземами и характеризуются залеганием гумусового горизонта на предварительно спланированной поверхности минеральной толщи, состоящей из смеси минерального материала и антропогенных включений.

Гранулометрический состав почв насаждений Ветлужанка и Лазо тяжелосуглинистый, почвы остальных объектов среднесуглинистые. Величины плотности твердой фазы изменяются в разных почвах незначительно (табл. 2) и зависят главным образом от содержания гумуса. Плотность сложения исследованных почв

оптимальна для произрастания большинства культур в условиях города [15], но следует заметить, что данный параметр определялся вне тропиночной сети.

Таблица 2

Физические и физико-химические параметры почв

Место насаждения Плотность твердой фазы, г/см3 Плотность сложения, г/см3 Пороз-ность, % рн С, % Р2О5, мг/100 г NH4+, мг/100 г

Ветлужанка 2,54 1,19 53,35 5,9 1,26 11,5 2,90

Красная площадь 2,36 0,95 59,85 6,0 5,95 12,0 2,02

о. Татышев 2,50 0,82 67,2 5,8 3,38 19,0 2,26

Цирк 2,36 1,04 56,14 6,6 5,96 18,0 1,66

Лазо 2,44 1,00 59,02 6,1 5,06 24,0 3,12

Почвы большинства березовых насаждений слабокислые, нейтральные они только под насаждением Цирк. Содержание гумуса в урбиквазиземах несколько повышено, естественные почвы характеризуется средним содержанием, а в абралите оно очень низкое. Все исследуемые почвы характеризуются низкой обеспеченностью азотом и высокой - фосфором.

Для оценки экологического состояния почв в городских условиях наиболее удобно использовать их биологические параметры. Показатели биологической активности отражают состояние живой фазы почвы, которая обусловливает почвенное «здоровье», а следовательно, ее устойчивость и продуктивность. В настоящих исследованиях мы определяли потенциальную интенсивность почвенного дыхания и целлюлозо-разложения. По обоим показателям лидируют почвы насаждения Цирк (дыхание - 11,28 мгСО2/100 г почвы, целлюлозоразложение - 10,66 %) и Красная площадь (10,60 мг СО2/1ОО г почвы и 7,38 % соответственно).

Наиболее низкие значения дыхания и целлюлозоразложения, вопреки ожиданиям, отмечены в почвах насаждений Ветлужанка (7,88 мгСО2/100 г почвы и 1,39 %) и остров Татышев (6,95 мгС02/100 г почвы и 3,96 %), хотя в этих районах отмечен низкий уровень автотранспортного загрязнения. Таким образом, вероятно, в данном случае состояние живой фазы почвы в большей мере обусловлено внутрипочвенными условиями (в частности, обогащенностью органикой), чем загрязненностью смежных с почвой сред.

Расчет интегральных показателей стабильности развития по уровню ФА листьев березы повислой показал, что состояние среды во всех районах характеризуется как критическое (табл. 3), поскольку величина асимметрии в выборке превышает 0,054 [6].

Таблица 3

Значения интегральных показателей стабильности развития березы повислой в изученных насаждениях

Место насаждения Величина асимметрии листа в выборке Балл Качество среды

Ветлужанка 0,068 5 Критическое состояние

Красная площадь 0,063 5 Критическое состояние

о. Татышев 0,069 5 Критическое состояние

Цирк 0,055 5 Критическое состояние

Лазо 0,065 5 Критическое состояние

При этом в относительно чистых районах - Ветлужанке и о. Татышев - показатели ФА наиболее высоки, тогда как в насаждении Цирк, находящемся в правобережной, сильно загрязненной части города, этот показатель понижен. Таким образом, в нашем случае применение метода оценки ФА листьев березы повислой для индикации уровня техногенной нагрузки не дало положительных результатов.

Морфометрические параметры листа и побега традиционно используются для индикации уровня техногенного стресса в городских условиях [16, 17]. Изучение морфометрических параметров листа и побега березы в выбранных районах показало, что статистически достоверно р< 0,05) наибольшее среднее значение длины линейного годичного прироста и длины листовой пластинки наблюдается в насаждении Ветлу-жанка (табл. 4).

Таблица 4

Средние значения параметров листа и побега березы повислой из различных районов г. Красноярска

Признак Ветлужанка Красная площадь Цирк Лазо

Годичный прирост побега, см 15,33±0,64 11,68±0,59 12,8±0,51 11,32±0,51

Длина листа, см 5,57±0,13 5,29±0,10 4,85±0,15 4,60±0,26

Ширина листа, см 3,77±0,11 3,58±0,10 3,29±0,16 3,71±0,13

Отношение ширины к длине листа 0,68±0,02 0,68±0,02 0,68±0,04 0,81±0,02

Верхний угол, град 20,66±1,07 21,15±0,87 23,86±1,2 25,78±1,5

Нижний угол, град 47,83±1,57 54,43±2,83 53,94±1,1 53,24±2,1

Длина черешка, см 1,95±0,1 1,98±0,089 2,13±0,095 1,73 ±0,7

Доля поврежденных листьев, % 24,84 59,78 39,49 61,14

Примечание. Данные по насаждению о. Татышев отсутствуют.

Отношение ширины к длине и верхний и нижний угол листовой пластинки характеризуют форму листовой пластинки. Чем меньше отношение ширины к длине листа, тем уже и длиннее листовая пластинка. Как правило, снижение этого параметра сопровождается уменьшением верхнего и нижнего углов листа. Такая закономерность наблюдается на участках, характеризующихся наименьшим загрязнением (Ветлужанка). Наибольшее отношение ширины к длине листа наблюдается в насаждении Лазо. Листовые пластинки имеют здесь более округлую форму, что говорит об их ксерофитизации.

Наибольшая поврежденность листьев березы отмечена в загрязненных районах (Лазо, Красная площадь). Анализ типа повреждений показал, что среди них преобладают хлорозы и некрозы.

Таким образом, изучение морфометрических параметров листа и побега дало вполне ожидаемый и закономерный результат: в целом в загрязненных районах происходит уменьшение линейных параметров листа и побега, изменяется форма листа, усиливаются признаки ксерофитизации листовых пластинок, увеличивается их поврежденность болезнями и промышленными эмиссиями.

Противоречия между результатами изучения морфометрических параметров и данными по уровню нестабильности развития можно отчасти объяснить, если проанализировать корреляционные связи между уровнем ФА и почвенными показателями (рис.).

Из рисунка видно, что уровень флуктуирующей асимметрии тесно связан с четырьмя из изученных почвенных параметров - плотностью твердой фазы почвы (г=0,83), содержанием в ней гумуса (г=-0,73), дыханием (г=-0,91) и целлюлозоразложением (г=-0,83). Так, нестабильность развития достоверно повышается при уменьшении количества органического вещества в почве и снижении интенсивности биологических процессов в ней. Негативное влияние на развитие березы также оказывает увеличение удельного веса почвы. Не обнаружено достоверной корреляции между уровнем ФА и концентрацией СО в воздухе.

Корреляционные связи между уровнем флуктуирующей асимметрии листьев березы и параметрами почв в городских насаждениях Красноярска

Методика оценки качества среды по состоянию живых существ предназначена для диагностики ее изменений при антропогенном воздействии. При этом под качеством среды понимается «...ее состояние, необходимое для обеспечения здоровья человека и других видов живых существ» [6, с. 2]. Однако анализ опубликованных исследований и собственные данные показывают, что показатели флуктуирующей асимметрии листьев березы повислой чутко реагируют на любое стрессовое воздействие - от техногенного загрязнения до нападения листогрызущих насекомых. Так, в работе Е.С. Булатовой, С.Г. Бабиной [18] отмечается стабильный высокий уровень ФА листа березы в условиях Саяно-Шушенского заповедника и национального парка «Шушенский бор», который авторы связывают с особыми природными условиями произрастания на северных макросклонах хребтов и изменением климатических условий в связи со строительством Саяно-Шушенской ГЭС.

Представляется очевидным, что некоторые факторы, являющиеся весьма значимыми для развития березы (например, механический состав почв и содержание в них органического вещества), не оказывают существенного воздействия на жизнедеятельность и здоровье человека. Неблагоприятное влияние почвенно-грунтовых условий, естественно, является стрессовым для березы и существенно повышает уровень ФА билатеральных признаков, однако качество среды с точки зрения требований человека может быть вполне удовлетворительным.

Заключение. Таким образом, в ходе исследований выявлено, что уровень нестабильности развития билатеральных признаков у березы повислой существенно повышается в условиях стресса. Однако повышение уровня ФА связано не столько с общим уровнем загрязнения среды, сколько с влиянием физических, физико-химических и биологических свойств почв, в частности, с их механическим составом, содержанием органического вещества и интенсивностью биологических процессов.

В настоящее время представляется преждевременным использование предложенной [6] методики оценки качества среды по флуктуирующей асимметрии листьев березы повислой в городских условиях.

Традиционно используемые для индикации антропогенной нагрузки изменения морфометрических параметров побега березы в данном случае дали более адекватную оценку качества среды в различных районах г. Красноярска по сравнению с показателями флуктуирующей асимметрии листа.

Литература

1. Флуктуирующая асимметрия краниометрических признаков у грызунов (Mammalia: Rodentia): межвидовые и популяционные сравнения / Э.А. Гилева, Л.Э. Ялковская, А.В. Бородин [и др.] // Журн. общей биологии. - 2007. - Т. 68. - № 3. - С. 221-230.

2. Захаров В.М. Асимметрия животных (популяционно-феногенетический подход). - М.: Наука. 1987. -216 с.

3. Fluctuation asymmetry of birch leaves increases under pollution impact / M.V. Kozlov, B.J. Wilsey, J. Kori-cheva [at el] // J. Appl. Ecology. - 1996. - N 33. - P. 1489-1495.

4. Здоровье среды: методика оценки. Оценка состояния природных популяций по стабильности развития: методологическое руководство для заповедников / В.М. Захаров, А.С. Баранов, В.И. Борисов [и др.]. - М.: Центр экологической политики России, 2000. - 66 с.

5. Захаров В.М. Онтогенез и популяция (стабильность развития и популяционная изменчивость) // Экология. - 2001. - № 3. - С. 177-191.

6. Методические рекомендации по выполнению оценки качества среды по состоянию живых существ: распоряжение Росэкологии от 16 октября 2003 г. № 460-р. - М., 2003. - 24 с.

7. Зорина А.А., Коросов А.В. Характеристика флуктуирующей асимметрии листа двух видов берез в Карелии // Тр. Карельского науч. центра РАН. - Петрозаводск, 2007. - Вып. 11. - С. 28-36.

8. Беседин В.А. Экологический кризис г. Красноярска. Цифры и факты. - Красноярск, 1997. - 46 с.

9. Федорова А.И., Никольская А.Н. Практикум по экологии и охране окружающей среды. - М.: Владос, 2001. - 288 с.

10. Шишов Л.Л., Тонконогова В.Д., Лебедева И.И. Классификация почв России. - М.: Почвенный ин-т им. Докучаева РАСХН, 1997. - 236 с.

11. Вадюнина А.Ф., Корчагина З.А. Методы исследования физических свойств почв и грунтов. - М.: Высшая школа, 1973. - 399 с.

12. Аринушкина Е.В. Руководство по химическому анализу почв. - М., 1961. - 490 с.

13. Безкоровайная И.Н. Методы биологической диагностики почв: методические указания. - Красноярск: Изд-во КрасГАУ, 2001. - 18 с.

14. Предельно допустимые концентрации (ПДК) загрязняющих веществ в атмосферном воздухе населенных мест. Гигиенические нормативы ГН 2.1.6.1338-03: постановление Министерства здравоохранения РФ от 30 мая 2003 г. № 114. - М., 2003.

15. Некоторые критерии и методы экологического состояния почв в связи с озеленением городских территорий / А.В. Смагин, Н.А. Азовцева, М.В. Смагина [и др.] // Почвоведение. - 2006. - № 6. - С. 603-615.

16. Авдеева А.В., Кузьмичев В.В. Влияние городской среды на состояние природных лесов (на примере г. Дивногорска) // Экология. - 1997. - № 4. - С. 248-252.

17. Ситникова А.С. Влияние промышленных загрязнений на устойчивость растений. - Алма-Ата: Наука КазССР, 1990. - 88 с.

18. Булатова Е.С., Бабина С.Г. Морфологические аспекты при оценке антропогенного воздействия на ООПТ Алтае-Саянского экорегиона // Самарская Лука: проблемы региональной и глобальной экологии. - 2009. - Т. 18. - № 3. - С. 90-97.

---------♦'----------

УДК 581.9+502.753 (571.63) Е.В. Жабыко, Г.А. Гладкова, Г.Н. Бутовец

РЕДКИЕ РАСТИТЕЛЬНЫЕ СООБЩЕСТВА ЗАПОВЕДНИКА "УССУРИЙСКИЙ"*

В статье рассмотрены редкие растительные сообщества заповедника "Уссурийский". Для каждого сообщества приведены категории редкости, мотивы охраны, закономерности их распространения, условия местообитания и основные дестабилизирующие факторы.

Ключевые слова: редкие сообщества, эндемичные виды, реликтовые виды, Приморский край.

E.V. Zhabyko, G.A. Gladkova, G.N. Butovets RARE PLANT COMMUNITIES OF THE "USSURIISK" NATURE RESERVE

Rare plant communities of the "Ussuriisk" nature reserve are considered in the article. Rarity categories, protection reasons, laws of their distribution, habitat conditions and the basic destabilizing factors are given for each community.

Key words: rare communities, endemic species, relict species, Primorskiy Krai.

Большинство проблем охраны живой природы так или иначе связано с биогеоценотическим уровнем. Особо опасными для биосферы являются общее сокращение площади растительного покрова и утрата некоторых типов фитоценозов, которые являются местообитанием отдельных, в том числе и краснокнижных, видов растений. Для того чтобы сохранить вид, необходимо сохранить большую часть его ценопопуляций с их историческими, ценотическими и экологическими связями в различных типах фитоценозов. Изучение экологических и биогеоценотических условий сохранения редких сообществ и видов на охраняемой территории позволяет оценить степень угрозы для этих сообществ и видов на сопредельных территориях.

Цель исследований. Выявление редких растительных сообществ заповедника «Уссурийский», отнесенных к разным категориям редкости, и их характеристика.

Объекты и методы исследований. Исследования проводились на территории Уссурийского заповедника в 1997-2010 гг. Растительность заповедника по геоботаническому районированию Дальнего Востока [1] относится к Шкотовско-Сучанскому приморскому горно-долинному округу широколиственных и кедровошироколиственных лесов, входящих в Маньчжурско-Приморскую провинцию лиановых широколиственных и смешанных лесов с грабом. Эта провинция относится к Восточно-Азиатской хвойно-широколиственной области, для которой характерно флористическое богатство, высокий эндемизм и резкие контрасты в составе растительности, где наряду с теплолюбивыми видами представлены виды, характерные для бореальной зоны.

* Работа поддержана грантом 09-1 -П 2З11 Дальневосточного отделения РАН.