Биоиндикация состояния урбанизированных территорий в аридных условиях (на примере города Астрахани)

Размещено на http://www.allbest.ru/

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата биологических наук

БИОИНДИКАЦИЯ СОСТОЯНИЯ УРБАНИЗИРОВАННЫХ ТЕРРИТОРИЙ В АРИДНЫХ УСЛОВИЯХ (НА ПРИМЕРЕ ГОРОДА АСТРАХАНИ)

Пилипенко Татьяна Алексеевна

Специальность 03.00.05 «Ботаника»

(биологические науки)

Астрахань 2008

Работа выполнена в Астраханском государственном университете

Научный руководитель:

доктор биологических наук, профессор кафедры биологии и экологии растений Астраханского государственного университета

В.И. Закутнова

Официальные оппоненты:

доктор биологических наук, профессор Астраханского государственного университета

М.Ф. Козак

доктор биологических наук, профессор, зав. кафедрой ботаники и зоологии Астраханского государственного технического университета

В.П. Иванов

Ведущая организация:

Калмыцкий государственный университет

Защита состоится «06» ноября 2008 г. в 12-00 часов на заседании диссертационного совета ДМ 212.009.10 при Астраханском государственном университете по адресу: 414000, г. Астрахань, пл.Шаумяна 1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Астраханского государственного университета

Автореферат разослан «__» ________2008г.

Ученый секретарь диссертационного

совета, доктор биологических наук,

доцент А.В. Федотова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность исследования. Возрастание антропогенного воздействия на окружающую среду приводит к негативным изменениям структуры, продуктивности и функционирования экосистем и биосферы в целом. Особое значение приобретает информация об уровнях загрязнения, характере и интенсивности ответной реакции биологических объектов на влияние токсикантов. Поэтому целесообразным становится поиск биологических индикаторов отклонений в экосистемах (Биоиндикация.., 1993).

В условиях высокой плотности городского населения, интенсивного загрязнения урбосреды промышленными предприятиями и автотранспортом, особо важными становятся пути оптимизации среды обитания человека. Для улучшения ситуации в современном городе, наряду с решением многих насущных проблем жилого фонда, транспорта, особую важность приобретает формирование комплексной системы озеленения городских территорий.

Компоненты системы озеленения современного города - не только эстетически ценная инфраструктура, но и фактор оздоровления окружающей среды, вносящий вклад в очистку воздуха от загрязнителей, обогащение его кислородом и фитонцидами. Достаточно крупные по площади зеленые зоны и парки могут выступать в качестве рефугиумов для многих видов местных растений, в том числе охраняемых, и даже животных достаточно толерантных к условиям городской среды. С другой стороны, территория зеленых зон и парков города, в разной степени подверженная рекреационному прессу и загрязнению среды, может использоваться в качестве полигона биологического мониторинга, необходимого дополнения физико-химическому контролю качества городской среды. Оценка состояния городских насаждений важна как для отслеживания изменений качества условий урбосреды, так и сама по себе, давая возможность своевременной помощи зеленым насаждениям.

Цель работы: критическая экспериментальная оценка возможностей использования высших растений в контроле качества урбосреды для комплекса природно-климатических условий аридной зоны (на примере г. Астрахани), разработка принципов организации системы лихеномониторинга для определения техногенного загрязнения городской среды.

Для достижения были поставлены задачи:

1. изучить экологические особенности городской среды для биомониторинга;

2. выявить основные факторы, определяющие пространственную гетерогенность урбосреды;

3. разработать принципы организации системы лехеномониторинга;

4. провести исследование тяжелых металлов в комплексе почва - растение - лишайники в условиях урбосреды;

5. изучить влияние урботерриторий на биологические объекты;

6. изучить онтогенез и структуру популяции лишайника Xanthoria parietina (L.) Th. Fr. в различных экологических условиях.

Научная новизна.

- В результате проведенных исследований впервые выявлены основные факторы, определяющие пространственную гетерогенность урбосреды, изучено использование высших растений в качестве фитоиндикаторов и возможность их применения в контроле техногенного загрязнения.

- Проведен сравнительный анализ накопления тяжелых металлов в комплексе почва - растения - лишайники.

- Дана оценка воздействия атмосферного воздуха на трансплантированные талломы лишайников г. Астрахани.

- Впервые концепция дискретного описания онтогенезов семенных растений, предложенная Т.А. Работновым (1950), А.А. Урановым (1975) и его учениками (Ценопопуляции.., 1976, 1977, 1988; Суетина, Жукова, 1997, 1998), применена для описания онтогенеза листоватого лишайника Xanthoria parietina для города Астрахани.

Научно-практическая значимость

- Полученные результаты могут быть использованы в практической деятельности природоохранных организаций.

- Проведенные исследования по изучению трансплантации лишайников использовались для оценки воздействия атмосферного воздуха на новые, возможно, экстремальные для них условия, и выявления индикаторных видов.

- Исследования накопления тяжелых металлов в комплексе почва - растения - лишайники, могут быть использованы при оценке качества состояния окружающей природной среды Астраханской области.

- Материалы по популяционно-онтогенетическим исследованиям могут быть применены в лихеноиндикационных целях.

- Результаты исследования внедрены в учебный процесс: при чтении лекций и на практических занятиях по курсам «Низшие растения и грибы», «Экология», «Экологии и географии растений», спец. курса «Знакомство с местными экосистемами», «Охрана окружающей среды», разделах Большого практикума «Лихенология» и «Лихеноиндикация», на учебно-полевых практиках в Астраханском государственном университете.

Основные положения выносимые на защиту

- Проблемы биоиндикации

- Использование высших растений в качестве фитоиндикаторов

- Влияние тяжелых металлов на окружающую среду в комплексе почва-растения-лишайники

- Результаты наблюдений за трансплантированными талломами лишайников

- Влияние урботерриторий на биологические объекты

- Предложенная концепция дискретного описания онтогенеза Xanthoria parietina может быть использована для описания полного онтогенеза апотециальных листоватых лишайников.

- Приспособленность популяции Xanthoria parietina в условиях возрастающей степени аэротехногенного загрязнения проявляется в частичной элиминации наименее толерантных генеративных особей, что приводит к изменению возрастной структуры популяции.

Апробация работы:

Основные результаты диссертации доложены на Всероссийских и Международных конференциях, среди которых: Всероссийские и Международные конференции, проводимые Астраханским государственным университетом (Астрахань, 2007, 2008). На Областной научно-практической конференции по «Актуальным проблемам дошкольного и начального образования и пути повышения компетентности педагогических кадров» (Института усовершенствования учителей, Астрахань, 2003). На VIII Международной конференции «Биологическое разнообразие Кавказа», Нальчик, 2006 г.; на Международной конференции «Россия- Восток» Астрахань, 2005; на Международной научно-практической конференции, посвященной 75-летию АГУ «Экология биосистем: проблемы изучения, индикации и прогнозирования» АГУ, 2007.

В целом диссертация доложена на расширенном научном семинаре кафедр биологии и экологии растений, почвоведения Астраханского государственного университета (Астрахань, 2008).

Обоснование научных положений выводов и рекомендаций.

Полученные научные положения и выводы диссертации являются результатом исследования, проведенных на базе кафедры биологии и экологии растений Астраханского государственного университета с использованием необходимого оборудования, современной компьютерной техники и программного обеспечения.

Выводы основаны на результатах мониторинговых наблюдений, рекомендации апробированы и внедрены в практику работы вуза.

Личный вклад автора. Работы выполнены в соавторстве и включенные в диссертацию, включают теоретическое обоснование проблем, выбор общего направления исследований городских насаждений, личное участие в экспедициях и экспериментах.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 17 работ, в том числе 1 монография, 2 статьи в лицензированных журналах ВАК, 14 статей и докладов в материалах международных и российских конференций.

Объём и структура диссертации. Работа изложена на 137 страницах компьютерного текста, содержит 10 рисунков, 19 таблиц. Диссертация состоит из введения, 6 глав, выводов, библиографического списка, приложения.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

биоиндикация урбанизированный территория лишайник

ГЛАВА I. ЭДАФО-КЛИМАТИЧЕСКИЕ УСЛОВИЯ Г. АСТРАХАНИ И ДЕЛЬТЫ ВОЛГИ

Город Астрахань расположен в верхней части дельты Волги, которая в свою очередь расположена на юге-востоке Восточно-Европейской равнины в пределах Прикаспийской низменности. Город Астрахань расположен в пределах северной и центральной дельты Волги. Площадь ее составляет 162,98 км2, население 570 тыс. человек (Атлас Астраханской..., 1997).

Город Астрахань расположен в нескольких ландшафтных зонах: 1) пустынная зона - на территории Западного ильменно-бугрового ландшафта и Волжско-Приергенинского ландшафта, 2) внутризональная ландшафтная зона - на территории Дельтового ландшафта. Значительная часть города расположена в дельте Волги.

Основная часть города находится в пределах центральной части дельты. Она состоит из островов, разделенных водотоками различной ширины. Основой островов, их каркасом, служат своеобразные повышения - бугры Бэра. Большую роль в изучении бугров сыграл К.М. Бэр (1856).

Современная Астрахань была освоена на высоком Бэровском бугре, называвшемся (по имени острова, на котором он располагался) Заячьим. Центральная часть города расположена на самой высокой поверхности этого бугра. Дальнейшее расширение города также проходило по вершинам бугров: Парбичева, Садового, Рождественского.

Северная часть города отделена от центральной рукавом Болда.

Правобережье города расположено в пределах Западной ильменно-бугровой равнины. Здесь доминируют бэровские бугры и межбугровые понижения.

На северо-западе к границам города подступают Приволжские пески (Астраханские) - песчаные гряды высотой до 4-6 м, закрепленные полупустынной растительностью.

Характерная особенность территории города - близкое к данной поверхности залегание подземных вод.

Материнские породы средней части дельты реки Волги представляют собой сложную вертикальную и горизонтальную мозаику речных, дельтовых, морских отложений (Рачковская, 1961; Николаев, 1962).

В средней части дельты, где расположен город, многочисленны характерные положительные формы рельефа - бэровские бугры. Они представляют собой вытянутые с запада на восток до 1-2 км овальные холмы, ширина которых колеблется от 80 до 300 м, а высота над окружающей равниной до 10-15 м. Между этими холмами расположены равнинные участки или межбугровые понижения, нередко занятые водоемами.

Вся территория дельты Волги, и собственно г. Астрахань лежат ниже уровня Мирового океана (побережье Каспийского моря - 27 м).

Климат г. Астрахани умеренный, резко континентальный - с высокими температурами летом, низкими - зимой, большими годовыми и летними суточными амплитудами температуры воздуха, малым количеством осадков и большой испаряемостью.

Микроклимат дельты уменьшает климатические контрасты пустыни в городе. Безморозный период на побережье на 15-30 дней длиннее, чем в вышележащей части дельты. Повышенное увлажнение и растительный покров повышает температуру поверхности почвы; с глубиной эти различия сглаживаются (Ишерская, 1953; «Агроклиматические ресурсы...», 1974).

Значительные отклонения температуры воздуха, осадков от многолетних средних значений связаны с аномальным развитием западной формы атмосферной циркуляции, при которой в последнее десятилетие влажные теплые воздушные массы влияют на погоду дельты Волги. Тенденция общепланетарного повышения температуры воздуха четко прослеживается в г. Астрахани.

Основными типами почв нижневолжской долины являются:

аллювиальные дерновые насыщенные;

аллювиальные луговые насыщенные;

солончаки гидроморфные;

аллювиальные болотные иловато-перегнойно-глеевые;

аллювиальные дерново-опустынивающиеся карбонатные;

бурые полупустынные.

ГЛАВА II. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ

Исследования высших растений проводили методом организации системы фитомониторинга, включающую выбор модельных насаждений для сбора информации.

При исследовании город- заповедник использовали метод трансект и модельных площадок (Куранов, 1989).

Исследования лихенобиоты проводились на основе оригинальных материалов собранных автором в 1999-2006 годах в рамках основной тематики кафедры биологии и экологии растений Астраханского государственного университета.

Маршрутно-стационарным методом на пробных площадях помимо состава лихенобиоты, изучалось распространение и приуроченность различных групп лишайников к основным типам растительных сообществ и субстратов. В пределах изучаемой территории обследовались различные экотопы.

При учете покрытия лишайников-эпифитов использовали:

1) гибкую ленту с мерными делениями, покрытие выражается в процентах от длины окружности.

2) сеточки-рамки, метод общепринят в лихенологии (Инсаров, Пчелкин, 1983). Размеры сеточек могут быть различными: редко - 5x10 см (Аблаева, 1981), наиболее часто - 10x10 см, или 20x20 см (Голубкова, Малышева, 1978;Горшков, 1986 Лийв, 1984 и др.);

3) метод определения покрытия на большой площади ствола. За площадь описания может приниматься вся поверхность ствола от основания до высоты 2,5 м. (Kiszka, 1984), или полоса на определенной высоте ствола шириной 60 см на высоте от 1,1 до 1,7 м. (Hoffman et al., 1991), или 40 см на высоте от 1,2 до 1,6 м. (Giralt et al., 1989). В таких случаях покрытие вычисляют по 6-балъной шкале Браун-Бланке (Braun-Blanquet, 1965), или пятибальной (Giralt et al., 1989).

На загрязнённых территориях покрытие лишайников оценивали с применением сеточек-рамок.

Покрытие каждого вида лишайника определяли на высоте 1,5 м с северной, западной, южной, восточной экспозиций на площадке 100 см2, используя сеточку 10х10см на отдельно стоящих деревьях. Отмечали присутствие видов лишайников, обнаруженных вне сеточки от основания ствола до высоты 2 м.

Система мониторинга.

Учет проводили на пунктах постоянного учета (ППУ), расположенных в центрах пересечения координат биоиндикационной сети, представляющей собой квадраты со сторонами 2.3 км. Центр ППУ подбирали не далее 0.5 км от пересечения координат и не ближе 35 м от края таксационного выдела, выхода из лесопарка, дороги, линии электропередач. В каждом ППУ закладывали 4 точки учета (ТУ) по направлениям сторон света на расстоянии 25 м от центра. От центра каждой ТУ измеряли расстояние до шести ближайших деревьев. У каждого учетного дерева определяли породу, возраст (по косвенным признакам) окружность на высоте 1,3 м, диаметр, высоту, категорию жизненного (санитарного) состояния (по Санитарным правилам в лесах РФ), отмечали повреждение и их представленность в баллах. Проводили полный пересчет всех деревьев 1, 2 яруса по категориям состояния и элементам деревьев на пробной площади, ограниченной центром ТУ (площадь до 1250 м2).

На каждой ТУ в месте, наиболее типичном по живому напочвенному покрову, откапывали прикопку глубиной 0,5 м и определяли гранулометрический состав генетических горизонтов и их мощность.

Определение лишайников проводили по традиционной в лихенологии методике в основе которой лежит анатомо-морфологический метод и применение реактивов (Определитель…1974).

Лихеноиндикация. В парках г. Астрахани (Тинаки 1, Тинаки 2) на среднем дереве каждой ТУ на коре дерева на высоте груди (1,5 м) замеряли с помощью мерной ленты отрезки, занятые видами макролишайников (листоватых и кустистых), собирали образцы лишайников для последующего камерального уточнения их видовой принадлежности.

Для каждого ППУ рассчитывали модифированный индекс I.A.P. - индекс атмосферной чистоты (Index of Atmosphere Purity), используемый в ряде работ (Le Blanc, DeSloover, 1970; Трасс, 1987; Yerzig, Urech, 1991; Инсаров, Пчелкин, 1983; Малышева, 1998, 2003; Бязров, 2002, Пилипенко, Закутнова 2004 и др.).

n

I.A.P. = У (Qi. Ci)/10

i=1

где Qi - экологический индекс i-ого вида, показывающий чувствительность вида к загрязнению атмосферы (принимает значения от 1 до 10), Ci - средний балл проективного покрытия i -ого вида на 4 учетных деревьях ППУ в % (принимает значения от 0 до 100), n - количество видов лишайников. Индекс I.A.P. - может принимать значения от 0 до 100.

ППУ распределяли по индексу I.A.P. (чистоты атмосферы) по зонам загрязнения следующим образом:

1) Зона критического загрязнения - I.A.P. = 0. эпифитные макролишайники на коре на высоте 1,5 м практически отсутствуют.

2) Зона относительно высокого загрязнения - 0,1 < I.A.P.<6. Эпифитные лишайники на коре деревьев встречаются в очень малом количестве.

3) Зона средней степени загрязнения - 6,1 < I.A.P.<12. Эпифитные лишайники находятся под сильным влиянием атмосферного загрязнения.

4) Зона относительного слабого загрязнения - 12.1< I.A.P.<25 .

Если средний индекс чистоты атмосферы по 30 ППУ составляет 2,2, то это соответствует зоне высокого загрязнения.

Оценка жизненности древостоев старых парков. По данным перечетов деревьев по категориям жизненного (санитарного) состояния на ПП рассчитывается как средневзвешенная по запасу категория состояния насаждения (I):

n

I = У Ki.Ii/100

i = 1

где Ki - доля в запасе i-ого элемента леса (%); Ii - его категории состояния (балл); n - количество элементов леса.

Аналогичные выводы можно сделать по результатам перечетов деревьев на ПП по породам и категориям состояния. Можно установить тесную корреляцию (R = 0,84) между категориями состояния, определенными на ТУ по количеству деревьев 1-3 классов Крафта, и категориями состояния, полученными по данным перечетов всех деревьев на ПП.

Зонирование исследуемой территории проводили по лихеноиндикационным индексам отражающим изменения во всем эпипокрове - индекс атмосферной чистоты - I.A.P. Ле Блана - Де Слувера (Le Blanc, De Sloover,1970) и индекс полетолерантности - Трасса (Trass,1968, 1973: Трасс19681971).

I.A.P. - сумма произведений встречаемости - покрытия и экологического индекса отражающего чувствительность каждого вида из группировки к загрязнению воздуха.I.A.P. (индекс атмосферной чистоты Le Blanc, De Sloover, 1970) вычисляется по следующей формуле

(1)

n - количество видов;

Qi - экологический индекс определенного вида.

Показатель Q характеризует среднее количество видов, сопутствующих данному виду на всех пунктах описания.

fi - показатель покрытия-встречаемости, определяемый по 5-бальной шкале:

1 - вид встречается очень редко и с очень низким покрытием,

2 - вид встречается редко или с низким покрытием,

3 - вид встречается редко или со средним покрытием на некоторых стволах,

4 - вид встречается часто или с высоким покрытием на большинстве стволов,

5 - вид встречается очень часто или с очень высоким покрытием на большинстве стволов.

Индекс полеотолерантности - взвешенное арифметическое среднее степеней полеотолерантности видов составляющих группировки лишайников определяемый по формуле:

где (2)

n -- количество видов на площадке описания;

а i- степень (класс) полеотолерантности видов;

Ci - покрытие вида;

Cin - суммарное покрытие видов.

Шкала покрытия 10-бальная (I - покрытие 1 - 10%, II - покрытие 11- 20% и т.д.).

Оценка полеотолерантности дается по 10-бальной шкале (1 - очень чувствительные виды, 10 - очень выносливые виды), предложенный Х.Х. Трассом (Трасс, 1985).

По величине индекса I.A.P. и с учетом распространения индикаторных видов выделено 3 зоны загрязнения и 1 зона чистого воздуха. Величина I.А.P. воздуха на территории г.Астрахани были скоррелированны со среднегодовыми концентрациями диоксида серы в воздухе.

Для трансплантации лишайников выбирали неповрежденные экземпляры лишайников одинаковые по размерам и состоянию развития. Все отобранные лишайники располагали рядом и увлажняли затем просматривали сырые талломы просматривали и отбраковывали талломы с дефектами т.е. такие цвет которых в водонасыщенном состоянии не зеленый. Предпочтение отдавали более крупным экземплярам. Для экспонирования лишайников использовали специальные деревянные щиты. Описание наблюдений за состоянием пересаженных талломов дается в отдельной главе (5.6).

Определение тяжелых металлов в растениях и почве было проведено с помощью атомно-абсорбционного спектрофотометра на кафедре физической химии АГУ, а также на областной станции химизации.

Для описания онтогенеза образцы Xanthoria parietina были собраны в 2004-2006 гг. с деревьев Salix alba в г. Астрахани и Астраханском государственном биосферном заповеднике. При выделении онтогенетических состояний учитывались качественные морфологические и анатомические признаки, а также ряд количественных параметров.

Начальные этапы онтогенеза, до формирования таллома накипной жизненной формы (ювенильный таллом), описаны по методике R. G. Werner (Werner, 1931,1965,1969; цит.по Определитель..,1974), А.Н.Окснер (Определитель.., 1974), S. Ott (1987а), D. Hill (1994).

С целью описания онтогенетических состояний X parietina, изучали анатомо-морфологические особенности по следующим параметрам: площадь таллома; длина, ширина, и количество лопастей; толщина таллома; толщина ризины; количество апотециев; высота апотециев; диаметр и ширина апотеция. В каждом онтогенетическом состоянии анализировались данные по 10 особям. При выделении и описании онтогенетических состояний всего было обследовано более 100 образцов.

В пределах выделенных зон г. Астрахани мы подсчитывали численность особей онтогенетического состояния X. parietina на высоте от 1 м до 1,5 м на Salix alba.

Применяли статистические методы. Вычисляли среднее арифметическое, ошибку среднего, общее среднее по частым средним, стандартное отклонение, коэффициент вариации. Количественные показатели по результатам онтогенетических исследований оценены по критерию Стьюдента, принят уровень значимости 0,05 (Зайцев, 1984).

Использовали компьютерную программу «Biomstat»(Rohlf, Slice 1995).

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ ГЛАВА III ПРОБЛЕМЫ БИОИНДИКАЦИИ

Специфическая особенность городской среды заключается в том, что, испытывая мощное воздействие комплекса антропогенных факторов, она сама становится весьма ощутимым фактором воздействия на природные системы и человека (Природный комплекс..., 2000). Стратегия оптимизации должна исходить из учета специфических особенностей городской экосистемы и осуществляться на основе ряда принципов, важнейшими из которых являются усиление автотрофности, регулярный мониторинг состояния окружающей среды, подъем экологической культуры населения. Исследование проблемы оптимизации городской среды требует системно-междисциплинарного подхода (Гальцева, Козлова, 1990). Формирование города как системы сопровождается глубоким преобразованием всех компонентов природных экосистем (рис.1.).

Изучены три группы факторов, которые формируют специфические погодные условия города. К первой группе относится преобладание искусственных поверхностей из асфальта, камня, стекла и бетона, что изменяет соотношения составляющих водного, радиационного и светового баланса. Вторая группа факторов связана с влиянием совокупности многоэтажных объектов как динамической преграды на пути воздушных потоков. Третья группа факторов определяется наличием промышленных и транспортных объектов, выбрасывающих в атмосферу города разнообразные пылевые и газовые примеси.

Отмечено в воздушном бассейне города содержится значительное количество выбросов промышленных предприятий, тепловых электростанций и транспорта, загрязняющих атмосферу и отрицательно влияющих на развитие и жизнедеятельность растений. В особенности вредно для растений избыточное содержание в воздухе углекислого газа, сернистых соединений, сажи и пыли. Фонд техногенных загрязнителей атмосферы, почвенного покрова, воды в городской среде активно пополняет автомобильный транспорт (Forman, Gordon, 1986; Ложкин, 2001).

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 1. Особенности компонентов урбосреды

Токсические загрязнители атмосферного воздуха оказывают отрицательное воздействие на фотосинтез. Пораженные растения отстают в росте и развитии и нередко погибают (Антипов, 1979). В городских условиях деревья быстрее стареют (Bassuk, Whitlow, 1988) и даже гибнут в 30-50 лет, в то время как в естественных условиях этот момент наступает в 200-400 лет и более в зависимости от долголетия породы. Считаем, что необходимо преимущественно использовать в урбанизированном ландшафте быстрорастущие тополя и ивы, имеющие высокий адаптивный потенциал.Вследствие мониторинговых исследований нами отмечено, что деревья в искусственных для них городских условиях подвергаются неблагоприятным физическим и химическим воздействиям, связанным с современным ведением городского хозяйства. Неудовлетворительное санитарное состояние древесных насаждений в большинстве случаев вызвано прямым и косвенным антропогенным воздействием.

Кроме того, одним из факторов, который вызывает угнетенное состояние или гибель растения в условиях города, является повышенная рекреационная нагрузка и как следствие вытаптывания надпочвенного покрова и уплотнение поверхности почвы. В результате рекреационного давления в парках и скверах происходит деградация живого надпочвенного покрова, уплотнение почвы, изменение ее физических свойств, биохимических и микробиологических процессов. Уплотнение ведет к резкому снижению водопроницаемости и воздухообмена в почве.

Отмечено, что над городом выпадает примерно на 10 - 15% больше осадков, чем над окружающими территориями. Однако даже в условиях обилия осадков городские растения испытывают недостаток в почвенной влаге, что относится в первую очередь к уличным насаждениям. С асфальта дождевые воды стекают в канализационную сеть, вследствие чего часть атмосферных осадков теряется. Уменьшение количества влаги, испаряющейся с поверхности, ведет к снижению влажности воздуха.

Тепловой режим почвы в городах также необычен для жизни растений. В жаркие летние дни асфальтовые покрытия, нагреваясь, отдают тепло не только приземному слою воздуха, но и поверхностным слоям почвы. Особенно горячим бывает слой почвы под самым асфальтом (до 50-55°С). В результате этого верхние слои городских почв практически не содержат живых корней, а температура подземных органов у городских деревьев нередко выше, чем надземных.

Мы проанализировали особенности насаждений с точки зрения происхождения, видового состава и перспектив использования в мониторинге.

Необходимость контроля качества городской среды очевидна и определяется в первую очередь компактным проживанием здесь человеческих популяций, испытывающих на себе влияние комплекса условий урбосреды. Состояние окружающей среды городов в настоящее время оценивается различными путями. Достаточно широко проводится контроль за содержанием загрязняющих веществ в атмосферном воздухе, воде, более локальный характер носит контроль почвенной среды. Собирается статистическая информация о тенденциях изменений состояния здоровья населения. Имеются примеры сбора и обобщения комплекса данных, относящихся к состоянию различных компонентов окружающей среды в конкретных регионах (Хоружая,, 1998,2002).

Основные факторы определяющие пространственную гетерогенность урбосреды

В городе Астрахань большая часть городских парков и скверов таковыми можно назвать только условно, так как ни видовое разнообразие, ни их площадь не укладывается в общепринятые нормативы ландшафтного проектирования. Более того, ежегодная подсадка саженцев на улицах города совершенно не изменила возрастной состав зеленых насаждений города, из-за низкой приживаемости. Такая ситуация возникла в силу ряда причин:

1) отсутствие должного полива в период приживаемости посадочного материала и в процессе дальнейшего роста и развития;

2) несвоевременная высадка саженцев, зачастую облиственных или даже цветущих;

3) использование некачественного посадочного материала;

4) игнорирование правил агротехники выращивания хвойных и экзотических древесных и кустарниковых культур (Пилипенко и др., 2006).

Таким образом, особенности городской среды в условиях аридной зоны, которые анализировались нами для г. Астрахани, заключаются в отчетливой выраженности пространственной и временной неоднородности условий-гетерогенности.

Пространственная гетерогенность (мозаичность) различных участков городской территории в случае г. Астрахани являет собой результат наложения на изначально мозаичные условия дельты Волги и Астрахани воздействия антропогенного фактора в различном режиме, вплоть до полного нарушения природных сообществ. Это касается рельефа, микроклимата, особенностей почвенного покрова, насаждений в отношении их генезиса, возраста и состава, а также уровня техногенного и автотранспортного загрязнения (рис. 2).

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис.2. Основные факторы, определяющие пространственную гетерогенность урбосреды

Временная гетерогенность условий г. Астрахани (рис. 3) обеспечивается особенностями климата аридной зоны с изменчивостью, от года к году, ведущих показателей гидротермического режима, в первую очередь количества и динамики выпадения осадков. Неодинаковым уровнем в ряду лет характеризуется присутствие в воздухе г. Астрахани техногенных загрязнителей. Результатом существования пространственно-временной гетерогенности урбосреды центра аридной зоны является сложный характер зависимости ответных реакций растений от всего комплекса условий местообитания, а не одного лишь уровня техногенного загрязнения.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 3. Основные факторы, формирующие временную гетерогенность урбосреды аридной зоны

Ассортимент методик, предлагаемых различными авторами для использования в целях мониторинга загрязнения окружающей среды, достаточно широк, и разработаны они были для разных природных зон. Предварительный этап организации системы фитомониторинга включает экспериментальную критическую оценку методик фитоиндикации техногенного загрязнения, апробированных в других регионах, с позиций их значимости в аридной зоне, и выбор модельных насаждений, которые стали пунктами сбора информации фитомониторинга.

Наиболее приемлемым способом изучения городской экосистемы является метод трансект и модельных площадок, захватывающих городскую территорию и пригородную зону (Куранов, 1989). Исследования на трансектах позволили установить физико-химические факторы и качество окружающей среды на входе в город, характеристики зоны перехода пригородной экосистемы в городскую, структурно-функциональные особенности сообществ, находящихся на разном удалении от города.

Анализ путей происхождения насаждений, тенденций их исторических изменений, закономерностей формирования видового состава и особенностей экофизиологического состояния растений в этих насаждениях в конечном итоге позволил разработать конкретную программу наблюдений, перспективных для фитомониторинга и, на их основе, сформулировать ведущие принципы ее организации.

Использование высших растений в качестве фитоиндикаторов и возможности их применения в контроле техногенного загрязнения

Вопросам изучения городской флоры и её трансформации посвящён ряд работ (Ходаков, 1981; Чичев, 1981; Иванова и др., 1976; Ишбирдина, Ишбирдин, 1993; Хмелёв и др., 1993; Антипина и др., 1996).

Города являются экосистемами, в которых концентрируется большая часть населения планеты. Высокая концентрация населения в городах определяет возникновение сложных экологических проблем. Особую актуальность эта проблема приобретает в современный период, когда ускоренными темпами развивается техногенный процесс, идет резкое сокращение природных экосистем, происходит полное уничтожение растительности на больших площадях. В дальнейшем, в связи с ростом населения и, в результате интенсивной эксплуатации территории, быстрого прогресса технологий, можно ожидать деградацию растительности. Устойчивость и надежность экосистемы «город» обеспечивается законами «необходимого разнообразия» и «оптимальности», что предполагает необходимое разнообразие и единообразие городской среды. Устойчивость предполагает способность системы самовостанавливаться и саморегулироваться (Лихачева, Тимофеев, 2004).

В качестве экологической основы фитоиндикации рассматривали, во-первых, теснейшую взаимозависимость, взаимосвязь элементов географической среды. Растительные сообщества в таком случае представляют собой определенный результат длительного (исторического) развития и формирования растительности в условиях экологически определенного местообитания. Во-вторых, экологической основой практики фитоиндикации считали и общие закономерности реакции растений на воздействие различных экзогенных факторов, а именно - существование экологической амплитуды растительных организмов по отношению к какому-либо экологическому фактору.

Широко использовали понятия биоиндикатора, биоиндикации. биотеста и биотестирования. Мы считаем целесообразным внести необходимые разграничения, относящиеся к пониманию данных терминов. Методологические особенности и специфика объектов биоиндикационных исследований выражены в виде схемы. По нашему мнению, биоиндикацией следует называть оценку природной среды с помощью обитающих в ней живых организмов-биоиндикаторов присутствие, количество или жизненное состояние которых определяется комплексом условий среды

Большое внимание, уделяемое ныне биомониторингу, определяется рядом обстоятельств. Во-первых, измерение физических и химических параметров загрязненности природной среды более трудоемко по сравнению с методами биологического мониторинга. Во-вторых, в окружающей среде нередко присутствует не один, а несколько десятков токсичных в разной степени компонентов. При этом довольно часто возникает синергизм в их действии на живые организмы, при котором суммарный эффект превышает действие, оказываемое каждым компонентом в отдельности. Этот синергизм не учитывается физико-химическими методами изучения загрязненности природной среды, однако он выявляется при использовании биоиндикации, т.е. при наблюдении непосредственного воздействия загрязнителей природной среды на живые организмы (Меннинг, Федер, 1985; Биоиндикация..., 1988).

Биоиндикационная значимость видового состава насаждений креационно-волюнтарного происхождения

Древесные и кустарниковые компоненты данных насаждений, привносятся человеком и в силу этого могут оказаться в местообитаниях, не вполне соответствующих экологическому оптимуму данных видов. Среди аборигенных видов, свойственных естественным насаждениям данного природно-географического района, будут широко представлены интродуценты, внедряющиеся в насаждения урбанизированных территорий в результате преднамеренной и случайной интродукции.

В городе Астрахани, согласно данным Пилипенко и др., 2002, здесь установлено произрастание 119 видов и форм высших растений, принадлежащих к 92 семействам и 284 родам. Из названного числа видов около 17 являются местными, 102 интродуценты из других природно-географических районов. До 5% древесных и кустарниковых интродуцентов происходит из западной Европы, 3% имеет североамериканское происхождение, равные доли (по 15%) представляют виды из Сибири и Дальнего Востока, 7% - Средней и Малой Азии. Оставшаяся часть видов происходит из Средиземноморья либо представлена формами (сортами) культурного происхождения. В то же время в составе уличных насаждений (без учета интродуцентов) неизменно присутствовало около 10 видов высших растений, устойчивых к комплексу условий урбосреды.

В креационно-волюнтарных насаждениях древесные растения, как правило, подбираются и размещаются произвольно, поэтому здесь могут быть широко представлены виды-интродуценты (Пилипенко, Сальников, 2003).

В настоящее время для стабилизации экологической среды г. Астрахани необходим подбор устойчивых видов древесных растений к абиогенным факторам. В парковых насаждениях, скверах г. Астрахани произрастают около 100 видов древесных растений (Пилипенко, Сальников, 2003). Многие виды не способны существовать в стрессовых условиях - высокие температуры летом, засоление, низкие температуры зимой, влияние городских условий с дымом, газами, большое скопление автотранспорта на трассах и др.

В результате мониторинговых исследований выяснили, что многие виды сосновых не выдерживают высоких температур и засоление почв: Picea abies (L.) Karst., P. glauca (Moench) Voss, P. Orientalis (L.) Link, Pinus stpobus L., P. sylvestris L., P. pallasaiana D. Don, Abies nordmanniana (Stev.) Spach, Larix deciduas Mill., L. sibirica Ledeb., Pseudotsuga mensiesii (Mirbel) Franco (Нигметова, Сальников, Пилипенко, 2006).

Многие виды представлены единично. Необходим отбор новых форм более устойчивых к абиотическим и биотическим факторам среды. Описание представленных новых видов древесных интродуцентов для урбосреды дается в отдельной главе (3.4).

Исследования накопления тяжелых металлов в комплексе почва-растения-лишайники в условиях урбосреды

Влияние тяжелых металлов на почву

В условиях активно развивающейся промышленности и техногенно загрязненной почвенной среды в результате возрастания антропогенной нагрузки существенно изменяется протекание процессов самоочищения почвы. Химическое загрязнение природной среды превратилось сейчас фактически в одну из приоритетных проблем, особенно для промышленно развитых регионов. Это приводит к изменению химического состава атмосферы, гидросферы, литосферы, что в конечном итоге является причиной нарушения круговорота веществ в целом и негативно влияет на здоровье человека. Изменение химического состава обусловлено как появлением новых соединений, так и увеличением содержания веществ, характерных для состава естественных биогеоценозов. Существует 1,8 млн. химических соединений, в промышленности применяется более 50 тысяч органических веществ, ежегодно синтезируется 250 тыс. новых, многие из которых обладают канцерогенным, токсическим, мутагенным действием (Грушко,1986; Амес, 1979).

Среди особо опасных веществ следует отметить моно- и полиароматические углеводы (толуол, бензапирен, бензперилен), хлорорганические соединения (пестициды, хлорофенолы) и тяжелые металлы (Hg, Cd, As, Си, Zn, Pb, Cr и другие) (Розенберг, Краснощеков, 1996).

Накопление загрязняющих веществ ведет к постепенному изменению химического состава, физических, химических и микробиологических свойств почвы. Загрязненная почва теряет четкую структуру. Это приводит к снижению ее водопроницаемости, уплотнению, на поверхности образуется корка, резко ухудшается водно-воздушный режим (Hung, Shenk,1994; Стебаев и др., 1993).

Сильное антропогенное изменение городских почв происходит из-за их интенсивного использования в процессе строительства. В результате этого образуются насыпные почвы с усиленной дренированностью, бедные питательными элементами. Погребенные городские почвы изменяют химический состав, в них ослабляется деятельность микроорганизмов и приостанавливается почвообразовательный процесс. В городе ослаблен возврат питательных элементов в почву, в связи с чем нарушается ее структура. Рекреация способствует уплотнению верхних почвенных горизонтов и нарушению водного режима и вентиляции.

Результаты исследования местообитания и накопления тяжелых металлов в почве и в Salix alba окрестностей острова Городского

Для выявления источников загрязнения почв тяжелыми металлами города Астрахани изучались почвы в районе острова Городского (Кузьмина, Лаврентьева, 2000). Была изучена динамика содержания тяжелых металлов в почве, в листьях Salix alba, лишайниках Xanthoria parietina (Закутнова, Пилипенко, 2004).

Основными типами почв г. Астрахани и дельты являются: 1) аллювиальные дерновые насыщенные; 2) аллювиальные луговые насыщенные; 3) солончаки гидроморфные; 4) аллювиальные болотные иловато-перегнойно-глеевые; 5) аллювиальные дерново-опустынивающиеся карбонатные; 6) бурые полупустынные.

На основании проведенных исследований, сделан вывод, что существует взаимосвязь между накоплением тяжелых металлов в почве и поступлением их в растения. При увеличении концентрации токсичных элементов в почве наблюдается увеличение их концентраций и в растении.

При изучении полученных данных о накоплении тяжелых металлов в комплексе почва-растение за 1988, 1999 гг. была также проведена статистическая обработка полученных результатов. Точность исследования была подсчитана по каждому исследованному металлу на участках А,Б,В за 1998 г. и на участках А,Б,В,Г за 1999 г. Данные изучения содержания тяжелых металлов в почве даются в отдельной главе (4.2)

Влияние тяжелых металлов на лишайники

Результаты исследования можно рассматривать в двух природоохранных аспектах: один связан с интересами человека в использовании лишайников для биоиндикации загрязнения среды металлами, а другой аспект связан с влиянием загрязнения металлами на лишайники, у которых происходит уменьшение площади таллома, снижающее сорбционную поверхность; увеличение толщины медуллы и внешнего кортекса которые защищают фотобионт и увеличивают плотность ризин, тоже выполняющих защитную функцию: они связывают в клеточных стенках большое количество металлов и препятствуют их транслокации (Goyal R. et al., 1982).

Наибольшей металлаккумулирующей способностью обладают лишайники (Ванштейн, 1982). Токситолерантный вид Xanthoria parietina обладает механизмом защиты клеток от токсичного действия Pb и Zn. Считается, что у этого вида металлы осаждаются на стенках клеток грибных гиф через образование карбоксильных групп. Гипераккумуляция металлов есть следствие реактивного механизма с органическими кислотами, вырабатываемыми лишайниками, а толерантность к металлам достигается пассивным образованием комплексов (Sarret et al ., 1998). Вероятно, толерантность к металлам и их гипераккумуляция представляют собой генетически независимые свойства организмов, что было показано на сосудистых растениях (MсNair et al., 1999).

Исследования накопления тяжелых металлов в талломах лишайников Xanthoria parietina, в условиях загрязнения окружающей среды выбросами автотранспорта (Новый мост через р. Волгу) были проведены в 1999 - 2000 гг. (Пилипенко, Закутнова 2004) (Таблица 1,2).

Таблица 1

Содержание тяжелых металлов в Xanthoria parietina, (мкг/кг сухой массы) август 1999 г. (Новый мост через р. Волгу)

Участки	Расстояние (м) от Нового моста	Cu	Cd	Pb	Zn	Mn
1	100	7,5	4,4	1,9	66,8	21
2	200	6	3,5	1,2	59	12
3	500	3	2,34	1,48	32	5
4	800	-	-	0,54	20,2	-

В результате проведенной работы можно сделать вывод, что выхлопные газы автомобильного транспорта являются значительным источником загрязнения атмосферы тяжелыми металлами. В ходе работы было определено содержание меди, свинца, кадмия, марганца, цинка в листьях ивы белой (Кузьмина, Лаврентьева, 2000) и в лишайниках Xanthoria parietina, как доминанта исследуемой территории (Пилипенко, Закутнова 2004).

Таблица 2

Содержание тяжелых металлов в Xanthoria parietina (мкг/кг сухой массы) сентябрь 2000 г. (Новый мост через р. Волгу)

Участки	Расстояние (м) от Нового моста	Cu	Cd	Pb	Zn	Mn
1	100	18	9,5	1,8	75	18
2	200	13,5	6,5	0,96	64,05	17
3	500	1,5	6	0,81	47	4
4	800	-	4,5	0,67	36	-

При избыточном загрязнении листьев Salix alba наблюдается повышение содержания токсичных элементов в талломах Xanthoria parietina. Нами отмечено, что на участке №1 (100 метров от Нового моста), под воздействием тяжелых металлов размеры и окраска талломов лишайников изменились, однако лишайники сохранились и окончательно не разрушились. По-видимому, это объясняется локализацией металлов в форме нерастворимых солей на поверхности таллома (Ванштейн, 1982).

Таким образом, можно сделать вывод, что концентрация тяжелых металлов в сосудистых растениях S. alba меньше, чем в талломах лишайника X. parietina.

При изучении данных за 1999 - 2000 гг. была выявлена значительная тенденция по увеличению содержания тяжелых металлов в комплексе S. alba - X. parietina, что свидетельствует об ухудшении состояния окружающей среды и одной из причин является увеличение количества транспорта.

Влияние урботерриторий на биологические объекты

Использование чувствительности лишайников в лихеноиндикации разных городов

Вступление человечества в постиндустриальную эпоху тесно связано с активизацией процессов урбанизации, которые характеризуются ростом населения крупных городов и натиском городов на окружающую среду. Одним из важнейших компонентов городской среды и фактором ее формирования является городская флора. Изучение растительного покрова городов, исследование его современного состояния и тенденций изменения - актуальнейшая проблема нашего времени (Ильминских, 1993).

Изучение лишайников ряда городов России показало, что их распределение на территории города носит закономерный характер и связано с экологическими характеристиками, в первую очередь, с атмосферным загрязнением, функциональной структурой, длительностью и интенсивностью использования городской территории (Малышева,1999).

Лишайники как биологические индикаторы загрязнения атмосферного воздуха на современном методическом уровне используются более 30 лет многими исследователями ряда стран. Основаниями для индикации состояния воздушной среды служит большая продолжительность жизни таллома низкая способность к авторегуляции высокая степень зависимости от физико-химических параметров среды (Трасс 1985).

Антропогенное влияние на рост лишайников как считает K. Schneider (1985), находится в прямой зависимости от видовой принадлежности дерева городской застройки, экспозиции на стволе. Среди свойств субстрата наиболее важное значение имеют: 1. Поверхность субстратов, 2. Содержание микроэлементов в корке, 3.Буферная емкость, 4.Влажность субстрата, 5. Значение рН (Barkman, 1958; Gilbert, 1970; Hawksworth, Rose, 1970).

В больших городах, а также на всей территории промышленных районов, главным образом, под действием двуокиси серы и кислых осадков, наблюдается подкисление среды, включая значительное понижение рН корки деревьев, что сопровождается обеднением лихенофлоры (Мартин, Нильсон, 1982).

Зонирование территории города Астрахани на основе распространения индикаторных видов лишайников и индекса атмосферной чистоты (I.A.P.)

Была изучена лихенобиота г. Астрахани и его окрестностей (2002-2006 г.), где насчитывается 8 крупных парков, несколько десятков скверов, большое количество садов в частном секторе, озеленённые площади некоторых больниц, берега реки Волги и ее протоков. Городские сады, парки и скверы представляют собой искусственные группировки, созданные человеком и отличающиеся своим видовым составом от естественных группировок (фитоценозов) данной области. В парке Тинаки отмечены лишайники: Buellia disciformis, Caloplaca flavorubescens C. сerina C. lobulata, C. saxicola, Candelaria concolor, C. medialis, Candelariella aurella. На поваленной и гниющей древесине отмечены виды рода: Collema Wigg., Lecanora Ach., Parmelia Ach, Phaeophyscia Moberg, Physcia (Schreber) Michaux, Physconia Poelt, Xanthoria (Fr.) Th.Fr.

В результате проведенных исследований в пределах административной границы Астрахани выявлено 43 вида лишайников.

Во всех парках города отмечены по стволам мелкие розетки лишайников рода: Lecanora, Xanthoria, Physcia, Physconia.

На территории города Астрахани исследованные эпифитные лишайники мы разделили по распространению на 4 группы: очень устойчивые устойчивые средне чувствительные чувствительные.

Обобщенные границы распространения видов этих 4 групп делят территорию города Астрахани на IV зоны загрязнения: Зона I - сильного загрязнения (концентрация SO2 превышает 003 мг/ м2) - включает районы с сосредоточением промышленных предприятий и центральную часть города. Здесь на высоте 15 м встречается 5 наиболее толерантных видов. Проективное покрытие лишайников в этой зоне 11-14% коэффициент вариации этого показателя до 22%. Зона II - умеренного загрязнения (SO2 002 - 003 мг/ м2). Эта зона охватывает центральную часть города с парками аллелями вокруг Кремля. Здесь встречается 10 видов очень устойчивых и устойчивых к загрязнению.

Таблица 3

Региональная шкала индикаторных видов лишайников

Очень устойчивые	Устойчивые	Средне чувствительные	Чувствительные
Caloplaca saxicola Caloplaca holocarpa Candelariella aurella Lecanora hagenii Phaeophyscia orbicularis Physcia stellaris Xanthoria parietina	Caloplaca cerina Candelariella xanthostigma Candelariella reflexa Candelaria medialis Physconia distorta Xanthoria candelaria Xanthoria polycarpa Xanthoria elegans	Caloplaca flavorubescens Lecanora pachyheila Lecanora carpinea Lepraria incana Lepraria chlorina Physcia dubia Phaeochyscia ciliata Physconia grisea Tephromela atra	Aspicilia esculenta Buellia disciformis Lecanora dispersa Lecanora intumeszens Lecanora epibrion Collema furfuraceum Pertusaria albescens Physcia semipinnata Xanthoria substellaris Xanthoparmelia conspersa

Проективное покрытие 8-41% коэффициент вариации этого показателя 41 - 67%. Зона III - слабого загрязнения (SO2 менее 002 мг/ м2) - окраина города многокилометровый пояс дачных посадок и территория вокруг города. Здесь встречаются 15 видов очень устойчивых устойчивых и средне чувствительных к загрязнению. Проективное покрытие 31 - 62 % коэффициент вариации этого показателя 11 - 36 %. Зона IV - зона наименьшего загрязнения, включает старый парк Тинаки 1 и новый парк Тинаки 2. Здесь отмечено 33 вида очень устойчивых устойчивых средне чувствительных чувствительных к загрязнению. Проективное покрытие - 25 - 44% коэффициент вариации этого показателя 15 - 22 % (концентрация SO2 < 0,01 мг/м2).

Здесь отмечены редкие для территории города виды: Aspicilia esculenta, Buellia disciformis, Caloplaca dicipiens, Collema furfuraceum, Lecanora dispersa, L. intumeszens, L. epibrion, Pertusaria albescens .

Кроме зонирования по распространению видов было проведено картирование территории города на основе индекса атмосферной чистоты (I.A.P). На его основе были выделены 4 зоны загрязнения на территории г.Астрахани. При этом интервальные оценки индекса были определены с учетом распространения индикаторных видов I - (1-5); II- (6-10); III - (11-15); IV - (>15).

Результаты наблюдений за трансплантированными талломами лишайников

Наблюдение за состоянием естественно произрастающих лишайников называют “пасссивным мониторингом” (Бязров, 2002), а трансплантационный способ исследования - “активный мониторинг” (Pearson, 1993). Активный мониторинг предполагает долговременные наблюдения за лишайниками на исследуемых территориях до и после возникновения источника загрязнения (Skye, 1958; Will - Wolf, 1980; Kandler, 1988).

...