Биоэкологический мониторинг деревьев в условиях городской среды

Размещено на http://www.allbest.ru/

Биоэкологический мониторинг деревьев в условиях городской среды

И.В. Савенкова, С.В. Пашков

В статье изучены анатомическое строение и структура эпидермального комплекса листовой пластинки лиственных древесных пород г. Петропавловска. Выявлены особенности строения эпидермы листьев деревьев и кустарников, являющихся основой зеленого строительства. Виды отличаются типом листа, морфологией основных эпидермальных клеток. Выявленные особенности строения эпидермы могут использоваться в качестве дополнительных диагностических признаков примониторинговых анатомо-морфологических исследований по живым образцам.

Ключевые слова: дополнительные диагностические признаки; индикаторы; методы биоиндикации; отпечаток (слепок) эпидермиса листьев; эпидермальный комплекс.

V. Savenkova, S.V Pashkov

Bioecological Monitoring of Trees in Urban Environments

The anatomical structure and structure of the epidermal complex of the leaf plate of hardwood species in Petropavlovsk are studied. Peculiarities of the structure of the epidermal leaves of trees and shrubs, which makes green construction, have been revealed. Species differ in leaf type, morphology of major epidermal cells. The detected features of the epidermal structure can be used as additional diagnostic signs in monitoring anatomic and morphological studies on living samples.

Keywords: additional diagnostic indicators; indicators; bioindication methods; print (mold) of leaves epidermis; epidermic complex.

Введение

эпидерма лиственное дерево диагностика

Мониторинг состояния древесных растений урбоэкосистем -- это относительно новое направление, имеющее большое прикладное значение. Алгоритм мониторинга был предложен рабочей группой при Европейской экономической комиссии ООН в 1985 г. [1]. Необходимость такого масштабного мероприятия в первую очередь связана с увеличением антропогенных воздействий на древесные растения, наиболее агрессивным из которых является загрязнение воздуха.

Основной целью системы мониторинга является сбор репрезентативных и сопоставимых данных об изменениях, происходящих в городских растениях под воздействием загрязнения атмосферы и других неблагоприятных факторов. Оценочные исследования состояния городских экосистем позволяют разрабатывать меры по повышению устойчивости и их рациональному использованию.

Исследования по выявлению характера приспособительных реакций древесных пород городских насаждений в условиях техногенного загрязнения территории г. Петропавловска посредством определения параметров биоиндикативных сигнальных признаков в условиях Северо-Казахстанской области (СКО) проведены впервые за продолжительное время.

Результаты исследований позволят выработать рекомендации по обследованию городских древесных насаждений (их созданию и реконструкции).

Целью исследований являлось изучение реакции основных сигнальных признаков зеленых насаждений в свете всевозрастающего техногенного загрязнения территории г. Петропавловска.

Материал и методы исследований

Объектами исследования послужили 19 видов (листьевая/хвойная часть), как аборигенных, так и интродуцированных древесных растений, являющихся элементами зеленой зоны города: барбарис обыкновенный (Berberis vulgaris L., 1753), береза бородавчатая (Яetula verrucosa Roth), береза пушистая (B.pubescens Ehrh, 1789), боярышник обыкновенный (Crataegus laevigata (Poir) DC. 1825)), вяз гладкий (Ulmus laevis Pall.), вяз мелколистный (U.parvifolia Jacq.), дуб черешчатый (Quercus robur L. 1753), ель обыкновенная (Picea abies (L.) H. Karst., 1881)), ива белая (Salix alba L. 1753), карагана древовидная (Caragana arborescens Lam. 1785), клен ясенелистный (Acer negundo L. 1753), лиственница сибирская (Larix sibirica Ledeb. 1783), рябина обыкновенная (Sorbus aucuparia L. 1753), сирень обыкновенная (Syringa vulgaris L. 1753), сосна обыкновенная (Finus silvestris L. 1753), тополь бальзамический (Fopulus balsamifera L. 1753), тополь белый (F.alba L. 1753), тополь пирамидальный (F. nigraf. pyramidalis Rozier), шиповник собачий (Rosa canina L. 1753), яблоня сибирская (Malus baccata L. (Borkh) 1803)).

Сбор материала и получение практического подтверждения актуальности мониторинга состояния зеленой зоны г. Петропавловска осуществлялись по методикам ICP-Forest [2] с использованием метода Пирсона-Фишера [3]; оценка состояния деревьев и степени нарушенности дендроморфы проводили визуально по шкалам, характеризующим степень загрязненности атмосферного воздуха [4]; изучение эпидермального комплекса листьев проводили методом слепков (отпечатков), по Н.А. Анели [5] (см. рис. 1); типы устьичных аппаратов определяли по классификации М.А. Барановой [6]; устьичный индекс рассчитывали по формуле A. Kastner [7]; описание эпидермального аппарата проводили по С.Ф. Захаревич [8] и М.Н. Прозиной [9].

Рис. 1. Микроскопическое изучение эпидермы листовых пластинок методом Анели

Обсуждение результатов исследований

Обследование зеленых насаждений в пределах городской черты показало, что большая часть изучаемых объектов (древесные растения) не показала признаков ослабленности, явных повреждений или изменений не отмечалось. Среди фракции хвойных деревьев сухостоя не обнаружено (коммунальные службы города оперативно удаляют такие деревья), однако среди лиственных встречались деревья -- свежий сухостой (тополь пирамидальный, клен, яблони). Эти объекты имели желтые листья с некротическими пятнами, многие ветви не имели листвы вообще (табл. 1).

Среди лиственниц, насаждений барбариса, березы, ив и тополей встречались усыхающие деревья. Среди признаков нарушенности можно отметить в различной степени поврежденные кроны, на отдельных ветвях установлено усыхание листвы до 75 %. Листья большинства деревьев в нижней части кроны имели признаки хлоротичности, цветовая гамма некрозных участков имела вариации от коричневого до черного (см. рис. 2).

Рис. 2. Повреждение листьев тополя бальзамического (июль, 2019 г.; район ТЭЦ - 2)

Таблица 1 Общее состояние модельных деревьев

Среди всех обследованных объектов выявлены сильно ослабленные деревья, причем среди хвойных частота встречаемости таких деревьев на 8,6 % меньше, чем среди лиственных. У этих деревьев повсеместно фиксировалась ажурность кроны, ее разреженность, повреждение и усыхание достигало до 70 % листьевой (хвойной) части, наблюдалась начинающаяся суховершинность, усыхание скелетных ветвей в средней и верхней частях кроны. Наиболее подверженными ослаблению оказались тополя.

Значительную долю от общего числа обследованных объектов составляли особи со слабоажурной кроной, отмечалось усыхание отдельных ветвей в нижней трети кроны. Порядка 15 % листьев имели обширные хлоротичные и некротические участки. Такие нарушения обнаружены у 18,1 % хвойных и 15,0 % лиственных растений.

И все же основная доля деревьев (66,2 %) не имела явных признаков ослабленности и отмечена в полевом журнале как категория внешне здоровых объектов: хвойные -- 75,0 % и лиственных -- 60,8 %.

Адаптивная жизнеспособность деревьев урбоэкосистем невысока -- 28,3 % у хвойных и 21,4 % у лиственных пород. Индивидуальная выносливость среди обследованных объектов сильно варьирует -- лучше переносят условия техногенного загрязнения боярышник, сирень, шиповник (индивидуальная выносливость составляет 83,3 %), дуб (87,5 %), карагана, рябина (91,6 %). Наименее приспособленными к условиям города оказались тополя пирамидальный и бальзамический (41,7-54,2 % соответственно) и яблоня (54,2 %). Это обусловлено экологическими характеристиками как самих объектов, так и условий произрастания.

Степень дефолиации

Изменения биоморфологических показателей ассимиляционного аппарата влечет за собой изменения формы кроны, ее сомкнутость, дефолиацию и ежегодный опад. При оценке процесса дефолиации необходимо обращать особое внимание на форму кроны (с учетом «окон») [10].

Дефолиация отмечается у всех изучаемых объектов, причем лиственные породы по показателям сомкнутости кроны и проценту дефолиации превосходят хвойные на 1,8 %. Наибольший процент дефолиации отмечается у тополей бальзамического (6,7 %) и пирамидального (5,7 %). Наименьший процент дефолиации зафиксирован у ели обыкновенной (1,3 %) и березы повислой (2,3 %). Среди объектов исследования деревьев с сильной степенью дефолиации не выявлено.

Изменчивость листовой пластинки

Фоновым признаком нарушения состояния дерева является изменение размеров листа/хвои. Полученные данные при ранжировании величин составили вариационный ряд, показатели которого отличаются друг от друга на десятую долю единицы у ели, лиственницы; и на единицу -- у остальных объектов (табл. 2).

Фактические данные по изменчивости листовой пластины сравнивались с литературными данными. Отмечаются отклонения как в сторону уменьшения, так и в сторону увеличения от нормы исследуемого признака. Хвойные породы (ель, сосна, лиственница) имели малое количество вариантов встречаемости параметров длины листовой пластинки, и необходимость перевода данных в классы вариант признака при этом отпадала, тогда как у лиственных пород отмечался довольно большой разброс показателей, затруднявших построение полигона распределения признака и выявления характера приспособленности.

Наиболее высокая вариабельность признака отмечалась у тополей пирамидального и бальзамического. Выстраиваемая при построении полигона распределения признака кривая позволяет констатировать смещение показателя длины хвои в сторону увеличения, а листовой пластинки -- в сторону уменьшения, что отражает характер приспособления растений к окружающей нагрузке.

Таблица 2 Классы вариант длины листовой пластинки (часть объектов)

Устойчивость древесных растений к техногенному загрязнению

При селективном отборе древесных пород для создания зеленых зон и колец г. Петропавловска предпочтение отдавалось и отдается прежде всего породам, являющимся коренными обитателями СКО -- они неприхотливы к условиям произрастания, засухо- и морозоустойчивы, отличаются быстрым ростом, относительно устойчивы к промышленной нагрузке.

Растения являются надежными индикаторами загрязнения природной среды различными поллютантами, они не могут быть нейтральны к стрессовому воздействию и вынуждены адаптироваться к окружающему миру с помощью различных компенсаторных механизмов организма.

Закрепление и оценка этих изменений дают реальную картину состояния растительности и отражают состояние городской среды. Негативное воздействие загрязнения воздуха влияет прежде всего на листья растений. Определение поливариантности ответных реакций городских древесных растений на состав продуктов техногенеза в окружающей среде, выражающихся в изменении размеров листовых пластин, позволяет сделать вывод о функционировании комплекса механизмов, адаптированных на физиологическом уровне, направленных на стабилизацию энергетических потерь в условиях стресса [11].

Вариабельность изменения размеров листовых пластинок при одинаковых условиях произрастания древесных растений по большей части неспецифична. Наименьший коэффициент вариации, то есть большая адаптивная способность к условиям окружающей среды, отмечается у хвойных: У_ср -- 7,46; лиственные менее устойчивы: У_р -- 13,3, -- что может быть связано с ежегодной сезонной дефолиацией (табл. 3).

Таблица 3 Статистические показатели вариантов (часть объектов)

Анатомо-метрические исследования листовых пластинок

Адаптивные изменения растений к окружающей среде проявляются не только внешне, большим изменениям подвержены растения и на клеточном уровне. Пограничная ткань, которая реагирует на внешнюю нагрузку первой -- эпидерма. Ткань представляет собой комплекс клеток различной морфологии, размеров и выполняемых функций. Известно, что клетки ксерофитов имеют извилистую форму и малые размеры. Такие же признаки проявляются у растений неблагоприятных для них мест обитания (характер приспособления). При анализе морфологии основных покровных клеток верхнего и нижнего эпидермиса учитывались следующие параметры -- форма и характер стенок (табл. 4).

Таблица 4Морфология основных эпидермальных клеток (часть объектов)

Примечание: П -- прямолинейный, СВ -- сильноволнистый, СлВ -- слабоволнистый, В -- волнистый, СлИ -- слегка изогнутый.

По характеру положения клеточных стенок обнаружены прямолинейные, сильноволнистые, слабоволнистые, волнистые и слегка изогнутые клетки. Степень волнистости стенок эпидермальных клеток коррелирует с условиями произрастания растений. У особей, выросших при интенсивном освещении, волнистость выражена слабее в сравнении с затененными растениями [12]. Поскольку верхняя сторона листовой пластинки получает больше солнечного света, волнистость клеточных стенок на верхнем эпидермисе не выражена. Нижняя же часть находится в затенении, отсюда клеточные стенки приобретают волнистый характер. По форме описаны клетки продолговатые, изодиамет- рические, яйцевидные, овальные и вытянутые. У всех исследованных образцов клетки оказались разнонаправленными.

Морфология устьичных клеток

Установлено, что у большинства изученных объектов листья амфистомати- ческие, однако у боярышника, клена, барбариса и дуба -- гипостоматические. Устьица разнонаправленные, у большинства образцов они стефаноцитного типа, у тополей -- аномоцитного, у караганы -- актиноцитного. У большинства растений устьица непогруженные -- находятся на одном уровне с соседними эпидермальными клетками (признак мезоморфности), тогда как у березы, караганы, сирени, шиповника и яблони устьица в той или иной степени погружены на абаксиальной или адаксиальной сторонах (признак ксероморфно- сти). Разные виды растений неодинаково приспосабливаются на микроуровне к нагрузке окружающей среды.

Устьичный индекс -- измерение поверхностной плотности устьиц, используемый для сравнения листьев разных размеров. На величину устьичного индекса оказывают решающее влияние относительная влажность и интенсивность света во время развития листа. Устьичный коэффициент рассчитывался по формуле Л. Kastner (отношение числа замыкающих клеток устьиц к общему числу клеток эпидермы на единице ее поверхности). Результаты исследования устьичного коэффициента представлены в таблице 5.

Наибольший показатель устьичного коэффициента выявлен у сирени (в период развития листа активно использовался солнечный свет, не было внешних агрессивных факторов). Наименьший показатель -- у березы повислой (в период развития листа, возможно, отмечался недостаток как солнечного света, так и почвенной влаги).

Таблица 5. Устьичный коэффициент (часть объектов)

Выводы

эпидерма лиственное дерево диагностика

В результате проведенных исследований определено, что поллютанты разнонаправленно влияют на размеры листьевой части городских древесных растений. Наименьший коэффициент вариации, то есть большая адаптивная способность к условиям окружающей среды, отмечается у хвойных: V_cp -- 7,46, лиственные менее устойчивы: V_cp -- 13,3. Полученные расчетные значения коэффициента вариации всех образцов < 30 %, что наглядно демонстрирует модификационная (ненаследственная, фенотипическая) изменчивость изучаемого признака. Очевидно, что зеленые насаждения г. Петропавловска требуют коренной реконструкции. При селективном отборе ассортимента древесных растений для зеленого строительства города, основной упор стоит делать на их устойчивость к экзогенным факторам окружающей среды. При озеленении населенных пунктов необходимо подбирать древесные растения, способные не только выживать в искусственных условиях, но и выполнять декоративные и водорегулирующие функции. При разработке проектов по озеленению на первый план выходят качество и экологические породные характеристики посадочного материала.

Литература

1. Биоиндикация загрязнений наземных экосистем / под ред. Р. Шуберт. М.: Мир, 1988. 348 с.

2. Методика организации и проведения работ по мониторингу лесов европейской части России по программе ICP-FOREST (Методика ЕЭК ООН). Инструкция ФСЛХ РФ. М., 1995. 42 с.

3. Орлов А.И. Математика случая: учеб. пособие. М.: МЗ-Пресс, 2004. 170 с.

4. Асланиди К., Вачадзе Д. Биомониторинг. М.: Пущино. 1996. 23 с.

5. Анели Дж.Н., Анели Н.А. Способ получения микроструктурных отпечатков эпидермы различных органов растений // Сообщения АН ГрузССР Тбилиси, 1986. С. 589-592.

6. Баранова М.А. Классификация морфологических типов устьиц // Ботанический журнал. 1985. Т 70.№ 12. С. 1585-1595.

7. Kдstner A. Blдttepidermis-Strnkturen bei Carlina // Flora. Bd. 161. № 3. 1972. S. 225-255.

8. Захаревич С.Ф. К методике описания эпидермиса листа // Вестник Ленинградского университета, 1954. № 4. С. 65-75.

9. Прозина М.Н. Ботаническая микротехника. М.: Высшая школа, 1960. С. 206.

10. Методы оценки состояния лесных насаждений в системе мониторинга лесов при техногенном воздействии. (2015). URL: https://Hfe-prog.ru/2_77292_metodi- otsenki-sostoyaniya-lesnih-nasazhdeniy-v-sisteme-monitoringa-lesov-pri-tehnogennom- vozdeystvii.html

11. Функционирование агроэкосистем в условиях техногенеза. (2016). URL: https://helpiks.org/7-2067.html

12. Мирославов Е.А. Структура и функция эпидермиса листа покрытосеменных растений. Л.: Наука, 1974. С. 184.

Literatura

1. Bioindikaciya zagryaznenij nazemny'x e'kosistem / pod red. R. Shubert. M.: Mir, 1988. 348 s.

2. Metodika organizacii i provedeniya rabot po monitoringu lesov evropejskoj chasti Rossii po programme ICP-FOREST (Metodika E'EK OON). Instrukciya FSLX RF. M., 1995. 42 s.

3. OrlovA.I. Matematika sluchaya: ucheb. posobie. M.: MZ-Press, 2004. 170 s.

4. Aslanidi K., Vachadze D. Biomonitoring. M.: Pushhino. 1996. 23 s.

5. Aneli Dzh.N., Aneli N.A. Sposob polucheniya mikrostrukturny'x otpechatkov e'pidermy' razlichny'x organov rastenij // Soobshheniya AN GruzSSR. Tbilisi, 1986. S.589-592.

6. Baranova M.A. Klassifikaciya morfologicheskix tipov ust'icz // Botanicheskij zhurnal. 1985. T. 70. № 12. S. 1585-1595.

7. Kдstner A. Blдttepidermis-Strukturen bei Carlina // Flora. Bd. 161. № 3. 1972. S. 225-255.

8. Zaxarevich S.F K metodike opisaniya e'pidermisa lista // Vestnik Leningradskogo universiteta, 1954. № 4. S. 65-75.

9. ProzinaM.N. Botanicheskaya mikrotexnika. M.: Vy'sshaya shkola, 1960. S. 206.

10. Metody' ocenki sostoyaniya lesny'x nasazhdenij v sisteme monitoringa lesov

pri texnogennom vozdejstvii. (2015). URL: https://life-prog.ru/2_77292_metodi- otsenki-sostoyaniya-lesnih-nasazhdeniy-v-sisteme-monitoringa-lesov-pri-tehnogennom- vozdeystvii.html

11. Funkcionirovanie agroe'kosistem v usloviyax texnogeneza. (2016). URL: https:// helpiks.org/7-2067.html

12. Miroslavov E.A. Struktura i funkciya e'pidermisa lista pokry'tosemenny'x rastenij. L.: Nauka, 1974. S. 184.

Размещено на Allbest.ru