Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Физико-географическая характеристика района исследования 8
1.1. Географическое положение и рельеф 8
1.2. Климат 10
1.3. Почвы и растительность 14
1.4. Особенности города как среды обитания растений 17
1.4.1. Воздушная среда 17
1.4.2. Климатические и эдафические факторы 20
ГЛАВА 2. Материалы и методы исследования 22
ГЛАВА 3. Лишайники - биоиндикаторы атмосферного загрязнения 25
3.1. О применении методов биоиндикации для оценки состояния окружающей среды 25
3.2. Реакция лишайников на атмосферное загрязнение 30
3.3. Картирование лишайниковой растительности и применение лихеноидикационных индексов 3 6
3.4. Лихенологические исследования на территории г. Новосибирска 42
ГЛАВА 4. Конспект лихенофлоры г.новосибирска 43
ГЛАВА 5. Анализ лихенофлоры г, Новосибирска 64
5.1. Систематический анализ 64
5.2. Географический анализ 67
5.3. Анализ основных жизненных форм 71
5.4. Распределение лишайников по субстратам 72
ГЛАВА 6. Основные лихеносинузии в естественных и искусственных насаждениях на территории г. новосибирска и в его окрестностях 75
6,1. История возникновения и развития понятия «синузия» 75
6.2. Эпифлеодные лихеносинузии в различных сообществах
г. Новосибирска 79
6.2.1. На сосне обыкновенной 79
6.2.2. На березе повислой 82
6.2.3. На различных видах ивы и тополя 88
6.2.4. На карагане древовидной 94
6.2.5. На боярышнике кроваво-красном 94
6.2.6. На рябине 94
6.2.7. На черемухе обыкновенной 95
6.2.8. На черемухе Маака 96
6.2.9. На кленах, вязах, ясене и орехе маньчжурском 96
6.2.10. На липе 97
6.2.11. На дубе 97
6.2.12. На ольхе 98
6.2.13. На березе мелколистной 98
6.2.14. На лиственнице 99
6.2.15. На елях и сосне кедровой 100
6.3. Лихеносинузии на трухлявых пнях 100
ГЛАВА 7. Лишайники-биоиндикаторы атмосферного загрязнения г. Новосибирска 102
7.1. Основные закономерности распространения лишайников по городской территории 102
7.2. Индексы полеотолерантности и схема атмосферного загрязнения г. Новосибирска 106
ГЛАВА 8. Тяжелые металлы и радионуклиды в слоевищах лишайников г. Новосибирска 110
Выводы 116
Литература 119
Приложения 147
- Географическое положение и рельеф
- О применении методов биоиндикации для оценки состояния окружающей среды
- История возникновения и развития понятия «синузия»
- Основные закономерности распространения лишайников по городской территории
Введение к работе
Обоснование темы исследований. В свете достижений мировой экологической науки становится очевидной необходимость комплексного изучения всех компонентов экосистемы, однако многие компоненты городских экосистем все еще остаются недостаточно изученными. В полной мере это касается и лишайников, особенно их распространения в крупных городах Западной Сибири. Изучение лишайников на урбанизированных территориях особенно актуально, поскольку лишайники являются наиболее чувствительными компонентами экосистем: даже умеренное атмосферное загрязнение негативно воздействует на них, приводя к сокращению видового разнообразия и проективного покрытия, вплоть до полного исчезновения многих видов. Методы лихеноиндикации используются уже несколько десятков лет как за рубежом, так и на территории России, однако в Западной Сибири данное направление экологических исследований пока еще недостаточно развито: лихеноиндикационному обследованию на атмосферное загрязнение подверглись только два крупных промышленных центра - Новокузнецк (Баумгертнер, 1999) и Барнаул (Терехина, 1995).
На территории г. Новосибирска лихеноиндикация используется впервые.
Актуальность проблемы. Новосибирск, являясь крупным промышленным центром, негативно воздействует на природную среду. Наибольшее воздействие оказывают выбросы в атмосферу различных загрязняющих веществ: преимущественно продуктов горения, как от стационарных источников, так и от автотранспорта. Помимо атмосферного загрязнения окружающей среды, происходит также прямое уничтожение экосистем на территории города в ходе строительных работ и деградация пригородных лесов под действием рекреационной нагрузки. Наряду с этим, в черте города создаются искусственные экосистемы, основную роль в которых играют древесные растения, не свойственные природным экосистемам данного климатического пояса. В результате действия всех этих факторов, на городской
территории возникает урбаноэкосистема, закономерности существования и развития которой существенно отличаются от таковых в естественных сообществах. Лишайники, являясь наиболее чувствительными организмами, на атмосферное загрязнение реагируют гораздо быстрее и интенсивнее многих высших сосудистых растений и выступают как индикаторы даже незначительного загрязнения окружающей среды, причем чувствительность разных видов лишайников несколько различается. Поэтому выявление закономерностей распространения лишайников на урбанизированных территориях и составление лихеноиндикационных карт весьма актуально для Сибирского региона.
Цели и задачи исследования. Целью данной работы является изучение лихенофлоры г. Новосибирска и оценка ее индикационной роли. В соответствии с целью работы, определены конкретные задачи:
Охарактеризовать основные источники загрязнения окружающей среды г. Новосибирска.
Провести инвентаризацию видового состава и анализ лихенофлоры г. Новосибирска, выявить основные лихеносинузии в различных типах сообществ на территории города.
Составить лихеноиндикационную карту города и дать ее экологическое обоснование.
Проанализировать накопление тяжелых металлов и радионуклидов слоевищами лишайников в различных районах города.
Положения, вынесенные на защиту. На защиту выносятся следующие положения:
Состав лихенофлоры г. Новосибирска и распространение лишайников по городской территории определяются не только природными условиями, но и интенсивностью атмосферного загрязнения.
Лихеноиндикационное картирование позволяет определить степень загрязненности атмосферного воздуха городской территории.
Научная новизна результатов исследования заключается в том, что впервые выявлен полный видовой состав лишайников г. Новосибирска из 230 видов, 37 семейств, 80 родов, из которых Rinodina colobina (Ach.) Th. Fr. -новый для Сибири и Pyrenopsis concordatula Nyl. - новый для Сибири и Азии.
Выявлены основные лихеносинузии на территории города и их трансформация под действием атмосферного загрязнения.
На основе метода лихеноиндикации впервые проведено картирование атмосферного загрязнения г. Новосибирска.
Практическая ценность работы: полученные данные по видовому разнообразию и чувствительности отдельных видов лишайников в данных климатических условиях, а также данные о накоплении слоевищами лишайников тяжелых металлов и радионуклидов позволяют использовать лишайники в долгосрочном мониторинге состояния городской среды, а также оценить распространение загрязнителей от стационарных источников и автотранспорта.
Апробация работы. Основные положения работы докладывались на XL Международной научной студенческой конференции «Студент и научно-технический прогресс» (Новосибирск, 2002), XI съезде Русского ботанического общества (Новосибирск-Барнаул, 2003), II молодежной конференции «Исследования молодых ботаников Сибири» (Новосибирск, 2004), Международной конференции по измерениям, моделированию и информационным системам (Томск, 2004), Международной конференции «Грибы в природных и антропогенных экосистемах» (Санкт-Петербург, 2005), Российской конференции «Биоразнообразие и пространственная организация растительного мира Сибири, методы изучения и охраны» (Новосибирск, 2005), 1 Международной научно-практической конференции «Проблемы промышленной ботаники индустриально развитых регионов» (Кемерово, 2006) и I (IX) Международной конференции молодых ботаников (Санкт-Петербург, 2006).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 работ.
Объем работы. Диссертация изложена на 171 странице машинописного
* текста, состоит из введения, 8 глав, выводов и списка литературы,
включающего 253 источника, из них 91 иностранных. Работа иллюстрирована
17 таблицами, 13 рисунками, 3 приложениями.
Личный вклад. В основу работы положены материалы пятилетних исследований автора. Собрано и проанализировано около 3,5 тыс. образцов лихенологического гербария.
Работа выполнена при финансовой поддержке гранта СО РАН №130
«Экологическое состояние городов Сибири» и молодежного гранта СО РАН №
117 «Лихенология в экологическом мониторинге городов Новосибирской
области», способствовавшей успешному проведению исследований.
Благодарности. Автор выражает глубокую признательность научному руководителю - сотруднику лаборатории низших растений ЦСБС СО РАН, д.б.н., проф. Нелле Васильевне Седельниковой, оказавшей неоценимую помощь при сборе и обработке гербарного материала, а также сотруднику ОИГГМ СО РАН Вере Дмитриевне Страховенко, определившей содержание микроэлементов в талломах лишайников.
s ГЛАВА 1. ФИЗИКО-ГЕОГРАФИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАЙОНА ИССЛЕДОВАНИЯ. 1.1. Географическое положение и рельеф.
Новосибирск является крупным индустриальным центром Западной Сибири (занимает площадь около 477 км2), расположен в юго-восточной части Западно-Сибирской равнины (географические координаты 55 с. ш. и 83 в. д.). Согласно природному районированию, город находится в лесостепной зоне (провинция - Приобская лесостепь) на границе Приобского плато с Салаирским кряжем и Кузнецкой котловиной (Климат Новосибирска, 1979). В административном отношении он разделен на 10 районов (рисунок 1), каждый из которых вносит определенный вклад в формирование городского микроклимата.
Новосибирск расположен на обоих берегах р. Обь, которая протекает в черте города с юго-востока на северо-запад на протяжении примерно 30 км и делит его на две неравные части: правобережную и левобережную. Правый берег р. Обь высокий, суглинистый, легко размываемый, покрыт сосновым бором шириной от 5 до 25 км. Левый берег р. Обь широкий, ровный, со множеством проток, стариц и болот. В современном рельефе берегов Оби выделяют три надпойменные террасы. Наиболее высокая 3-я терраса (120-130 м над уровнем моря, 30-40 м над уровнем реки) широко распространена на правом берегу, а на левом образует несколько разобщенных площадок. Вторая надпойменная терраса (105-115 м над уровнем моря, 15-25 м над уровнем реки) развита в основном на участках Огурцово - Малое Кривощеково, Ересная -Толмачево, в районе Академгородка и с. Бугры. Рельеф местности, занимаемой террасой, - равнинный с пологим наклоном в сторону Оби. Первая надпойменная терраса имеет отметки 100-105 м над уровнем моря (или 10-15 м над уровнем реки). В районе Новосибирского водохранилища первая и вторая террасы затоплены.
Рисунок 1. Административно-хозяйственное деление Новосибирска (Таран и др., 2004).
Административный район: 1 - Заелыювский, 2 - Калининский, 3 -Дзержинский, 4 - Железнодорожный, 5 - Центральный, 6 - Ленинский, 7 -Октябрьский, 8 - Кировский, 9 - Первомайский, 10 - Советский.
В пределах города р. Обь принимает притоки, стекающие со стороны Салаирского кряжа и его отрогов: правые - Иня с притоками Плющихой и Камыпшои, Каменка, 1-я, 2-я и Нижняя Ельцовки, Зырянка, левый приток -
Тула. Реки правобережья имеют глубокие (до 30м), хорошо разработанные долины, по которым протекают небольшие извилистые речки шириной не более 10 м и глубиной до 1 м (Климат Новосибирска, 1979).
Современный городской рельеф формировался на протяжении длительной геологической истории при сильном воздействии в последние десятилетия антропогенного фактора. Абсолютные высоты в черте города колеблются от 13 до 230 м., активно развиты физико-географические процессы, главными из которых являются эрозия почвы (результат - изрезанность правобережья оврагами и глубокими долинами малых речек), разрушение берегов Оби, заболачивание отдельных участков, затопляемость больших территорий паводковыми водами и просадочность грунтов (Чащина, 1976; Климат Новосибирска, 1979). Особую проблему для города составляет овражная эрозия - всего в пределах Новосибирска насчитывается 220 оврагов общей протяженностью 58,6 км (Климат Новосибирска, 1979).
1.2. Климат.
По природным условиям Новосибирская область целиком входит в лесостепную зону, ее климат является континентальным с теплым летом и умеренно-суровой малоснежной зимой, с температурами января от -13 до -32С (Климат Новосибирска, 1979). Устойчивый снежный покров формируется обычно в начале ноября и сохраняется около 160 дней. Мощность его неравномерная, от 20 до 40 см., больше на залесенных участках - с открытых пространств значительная часть снега сдувается в балки и овраги. На открытых незалесенных массивах почвы промерзают глубоко (до 150-200 см) и оттаивают полностью лишь в конце мая - начале июня. В условиях расчлененного рельефа большая часть талых вод стекает по не оттаявшим слабо водопроницаемым горизонтам почвы в пониженные элементы рельефа (Чащина, 1976).
Среднегодовая сумма осадков составляет 400-500 мм, основная их часть выпадает в теплый период года - с мая по октябрь (рисунок 2). По условиям увлажнения, отношение средней испаряемости к осадкам (индекс сухости)
]] изменяется от 1,00 до 3,00. Сумма положительных температур составляет от 2200 до 4400С. Сумма активных температур воздуха за-теплый период с устойчивой температурой выше 10С равна 1920 С. Безморозный период длится около 120 дней (Климат Новосибирска, 1979).
Самый холодный месяц в году - январь, самый теплый - июль (континентальный пик климата). Средняя годовая амплитуда температуры воздуха 38С, абсолютная 91С (рисунок 2). Период с температурой выше 5 С длится 158 дней, из общего годового количества часов солнечного сияния (2077ч) 65% приходится на вегетационный период.
Для всей Западной Сибири характерно различие погодных условий даже смежных лет. Непосредственная причина этого - циркуляция.воздушных масс с резко различной увлажненностью. Как правило, широтные течения более насыщены влагой, и их господство над территорией сопровождается установлением более влажных погодных условий. И наоборот, меридиональная циркуляция воздуха вызывает резкий дефицит влаги (Ильин, 1966). В среднем, на территории Новосибирской области большую часть года преобладают южные и юго-западные ветры (рисунок 3), летом наблюдается увеличение повторяемости северных и северо-восточных ветров (Климат Новосибирска, 1979).
є, d мбар 16
70 b'O 50
ЗО 20 10
Vt ' Vir-Vitn IX ' К l XI ' X!l .
Рисунок 2. Годовой ход основных метеорологических элементов (Климат Новосибирска, 1979).
1,3 - средний максимум и минимум температуры воздуха (С), 2- средняя месячная температура воздуха (С), 4 - упругость водяного пара (мбар), 5 -относительная влажность воздуха (%), 6 - дефицит влажности (мбар), 7 -среднемесячная сумма осадков (мм).
Лето
5%
Рисунок 3. Повторяемость (%) направлений ветра и число дней со штилем (в центре кружка) по сезонам и за год (Климат Новосибирска, 1979).
1.3. Почвы и растительность.
Новосибирск расположен в долине р. Обь на территории древней речной террасы, сложенной древнеаллювиальными песчаными и супесчаными отложениями и формировавшейся в условиях значительных колебаний режима реки и частых изменений источников приносимого материала. Террасные пески как почвообразующая порода имеют ряд характерных признаков, которые наследуются формирующимися на них почвами. Легкий механический состав и небольшая доля илистой фракции мало способствуют структурированию и обусловливают низкую емкость поглощения (Ильин, 1966). На высоких террасах под сосновыми борами развиваются дерново-подзолистые и подзолистые почвы, на низких террасах и в поймах рек - различной степени развитости луговые и болотные аллювиальные почвы (Ковалев, 1966, Чащина, 1976).
Лесной тип растительности на территории всей Новосибирской области представлен березовыми лесами, перелесками и колками, сосновыми борами и ивово-тополевыми зарослями по прирусловым участкам речных долин (Куминова, Вагина, 1961, Куминова, 1963).
Сосновые леса Новосибирского Приобья эдафически приурочены к песчаным наносам (Горчаковский, 1949, Куминова, Вагина, 1961, Павлова, 1963); по схеме геоботанического районирования А.В.Куминовой, Т.А.Вагиной, Е.И.Лапшиной (1963), сосновые леса правобережья относятся к Приобскому боровому округу (правобережная лесостепь), а леса левобережья -к Кулундинскому ленточно-боровому округу (левобережная лесостепь и степная Кулунда). По фитоценотическим особенностям сосновые леса в окрестностях Новосибирска Горчаковский (1949) определяет как сосновые леса лесостепного типа, в их древостое, как правило, отсутствует примесь темнохвойных пород и ассоциации ряда заболачивания почвы. В основном преобладают разнотравные сосняки, встречаются также сосняки-зеленомошники.
Основным эдификатором боров выступает сосна - Pinus silvestris
(Куминова, Вагина, 1961, Куминова, 1963). Однако, в связи с вырубкой
основной породы, большая часть лесного массива г. Новосибирска и
прилегающих территорий представлена производными лесами с
преобладанием березы или осины и соподчиненной ролью сосны. Небольшие участки редкого леса из старых сосен или густого молодняка встречаются по вершинам грив и бугров - это чаще всего фрагменты ассоциаций травянистых злаковых и разнотравных или травянисто-мохово-брусничниковых сосновых лесов (Павлова, 1963). Что касается березовых лесов и лесостепных колков, их основной породой является береза бородавчатая (Betula pendula), которая часто смешивается с осиной (Populus tremula), и, кроме того, в небольшом количестве отмечается береза пушистая (Betula alba). Колки обычно имеют округлую форму и занимают небольшие замкнутые понижения с осолоделыми почвами (Куминова, Вагина, 1961, Куминова, 1963).
Отличительной особенностью города является его расположение на территории с высокой лесистостью. Общая площадь лесных насаждений на территории Новосибирска составляет около 10 тыс. га (Таран и др., 2004). В пределах города ленточный бор, приуроченный к древней террасе р. Обь, разобщен на несколько крупных сосновых массивов, которые распределены по городу неравномерно и не образуют органической системы озеленения (Климат Новосибирска, 1979). В правобережной части леса сохранились крупными массивами между г. Бердском и р. Иня (Первомайский и Советский районы), на Ключ-Камышенском плато в Октябрьском районе, за р, Ельцовка 2-я (Заельцовский район) и небольшими участками в центральных районах (таблица 1). В левобережной части леса представлены двумя крупными лесными массивами в Кировском и Советском районах (Таран и др., 2004), а также расположенным на севере Кудряшовским бором, удаленным от жилой застройки на 10-12 км (Климат Новосибирска, 1979).
16 Таблица 1. Распределение лесов в границах Новосибирска
(Таран и др., 2004)
*Площадь лесов дана без учета естественных и искусственных насаждений на Ключ-Камышенском плато, в поймах рек Иня, Тула, Камышенка, Плющиха и других категорий земель, занимающих более 2 тыс. га.
Помимо естественных лесных сообществ, в черте города часто встречаются искусственные посадки различных видов деревьев и кустарников. Среди них наиболее распространены тополь, различные виды клена, карагана, яблоня, боярышник, ирга, липа мелколистная, черемуха, лиственница, сирень, шиповник, жимолость (Криволуцкая, 1961, Ноздренко, 1961), кроме того, небольшими участками чистых и смешанных древостоев встречаются лиственничные, кедровые и еловые насаждения (Таран и др., 2004). Для Новосибирска характерно большое количество зеленых насаждений вдоль улиц - их общая протяженность составляет 1141,6 км. Однако, несмотря на обилие искусственных посадок, озелененные территории жилой застройки не образуют сплошного зеленого пояса, не связаны с естественными пригородными лесными массивами и характеризуются малой площадью (Климат Новосибирска, 1979).
1.4. Особенности города как среды обитания растений.
Новосибирск является крупным промышленным центром, на его территории имеются предприятия строительных материалов, черной и цветной металлургии, машиностроительной, химической, легкой и пищевой промышленности, тепловые электростанции, отопительные котельни. Промышленные предприятия рассредоточены по всей территории города целыми комплексами по обе стороны р. Обь. Лишь небольшое их количество оснащено газопылеулавливающими установками (Климат Новосибирска, 1979). Большой вклад в загрязнение атмосферы города вносит автотранспорт. По данным Новосибирского областного комитета государственной статистики (Доклад о состоянии окружающей среды Новосибирской области в 2003 году), суммарная эмиссия загрязняющих веществ в атмосферу Новосибирска от стационарных источников составила в 2003 г. 100,054 тыс. т, а от передвижных источников - 214,4 тыс.т (то есть доля автотранспорта в суммарном выбросе составляет 68,4%). От предприятий и транспорта в атмосферу поступают зола, сернистый газ, двуокись углерода, окислы азота, свинцовые соединения, пары бензина, а таюке специфические вещества, входящие в состав технологических выбросов. Содержание примесей в атмосфере очень быстро меняется во времени и пространстве и существенно различается в разные моменты времени или в один и тот же момент в разных местах. Что касается радиоактивного загрязнения, концентрация радионуклидов в природной среде г. Новосибирска в 2003г. не превышала ПДК (Доклад о состоянии окружающей среды Новосибирской области в 2003 году).
Помимо атмосферного загрязнения, городские экосистемы подвержены и другим видам антропогенного воздействия, поэтому мегаполис как среда обитания живых организмов имеет ряд особенностей.
1.4.1. Воздушная среда.
Аэральное поступление техногенного вещества в окружающую среду является одним из наиболее жестких в экологическом отношении техногенных
факторов, поскольку охватывает практически все компоненты экосистемы (Аржанова, Елпатьевский, 1996). Загрязнение воздуха, даже в тех случаях, когда оно обусловлено определенным источником, отличается значительной изменчивостью содержания загрязняющих веществ в атмосфере за сравнительно непродолжительные промежутки времени. Формирование уровня загрязнения атмосферы определяется не только объемом эмиссии загрязняющих веществ от различных источников, но и условиями их распространения в атмосферном воздухе (Матерна, 1988).
Существует несколько стадий процесса, которые совместно составляют атмосферный цикл (Робинсон, 1988):
начальное разбавление загрязняющих веществ во время их подъема в слой воздуха, в котором осуществляется их адвекция;
разбавление за счет процессов турбулентной диффузии при переносе в районе расположения источника;
дальний перенос загрязнения от источника в массе воздуха и разбавление воздушной массы за счет процессов турбулентной диффузии и эффектов ветрового сдвига между слоями воздуха, содержащими загрязнение;
реакции загрязняющих веществ в атмосфере, приводящие к образованию вторичного загрязнения и увеличению концентрации загрязняющих веществ;
процессы выведения загрязняющих веществ из атмосферы, приводящие к ускорению образования осадков, химические реакции в облачных каплях, механизмы поступления загрязнителей на поверхность Земли;
сухое выпадение, химическая трансформация загрязняющих веществ во время их переноса к поверхности Земли.
Большинство приоритетных загрязняющих веществ, выбрасываемых в атмосферу промышленными или городскими источниками, входит в состав химических соединений, обладающих высокой реакционной способностью. К
таким соединениям относят хорошо известные загрязняющие вещества: двуокись серы, окислы азота, озон, некоторые соединения фтора, углеводороды. Также в составе промышленных выбросов присутствуют достаточно устойчивые соединения, не обладающие высокой химической активностью, например окись и двуокись углерода, мелкодисперсные частицы (Робинсон, 1988). К наиболее важным химическим процессам в атмосфере относятся окисление двуокиси серы (сернистого газа), приводящее к образованию аэрозолей сульфатов и капель серной кислоты, и процесс образования N02 из окиси азота, выбрасываемой в атмосферу при высокотемпературном горении (Тейлор, 1988). Окисление сернистого газа происходит по крайней мере по двум общим механизмам (Робинсон, 1988, Оттар и др., 1988). Первый - фотохимический процесс, эффективно протекающий при относительно высоких температурах воздуха летом или ранней осенью, а второй - гетерогенное окисление в водных каплях, которому предшествует диффузия двуокиси серы в жидкие капли тумана, дождя или облаков. Внутри капли может происходить окисление двуокиси серы, которое катализируется присутствующими в жидкой фазе ионами аммония, в результате чего образуется сульфат аммония - одно из наиболее распространенных соединений, входящих в состав осадков или других аэрозольных частиц. Другое химически активное соединение - двуокись азота -расходуется на фотохимические процессы, в результате которых образуется озон и пероксиацетилнитраты. При воздействии на живые организмы отмечается синергический эффект смеси двуокиси азота и сернистого газа (Тейлор, 1988).
Атмосферные фотохимические реакции, протекающие с участием окислов азота и углеводородов под действием солнечной радиации, приводят к образованию смога. При смоговых ситуациях наблюдаются высокие концентрации озона и других окислителей, являющихся вторичными загрязняющими веществами (Робинсон, 1988).
Поскольку многие загрязнители либо сорбированы на твердых частицах, либо растворены в каплях влаги, процесс выпадения осадков является важной стадией выведения загрязняющих веществ из атмосферы. В отсутствие мокрых осадков загрязнители также могут попадать на подстилающую поверхность и растительность. Этот процесс называется сухим выпадением: в нем участвуют как газы, так и аэрозольные частицы. Скорость осаждения зависит от химических свойств вещества - более высокую скорость имеют газообразные соединения, обладающие большей реакционной способностью (Робинсон, 1988, Оттар и др.,1988). В сильно загрязненных районах преобладающим механизмом выведения загрязнителей из атмосферы является сухое осаждение, в то время как в удаленных (фоновых) районах преобладает вымывание загрязнителей жидкими осадками (Оттар и др.,1988).
1.4.2. Климатические и эдафические факторы.
Особенности климата большого города определяют такие факторы, как характер застройки, покрытие улиц, расположение промышленных предприятий и обилие транспорта. Мезо- и микроклиматические изменения проявляются в повышении температуры воздуха в центральных районах города, возникновении «городского бриза», ослаблении потока прямой солнечной радиации из-за увеличения фактора мутности (таблица 2), усилении конвекции, способствующей образованию облачности и увеличению выпадения осадков. При формировании микроклиматических условий значительное влияние оказывает овражная сеть, поскольку в оврагах скапливаются токсичные выбросы предприятий и транспорта. Чем глубже овраг и круче его склоны, тем более вероятно скопление в нем пыли, сажи, окислов азота - более пологая и открытая форма оврага обеспечивает лучшее проветривание (Климат Новосибирска, 1979).
Помимо изменения климатических условий, на городские экосистемы воздействуют и другие факторы, такие как уничтожение естественных сообществ при застройке, использование при озеленении не характерных для
исходных фитоценозов видов растений, деградация почв, нарушение режима естественного стока. При прокладке коммуникаций лесные массивы расчленяются на мелкие куртины и группы, наносятся механические повреждения деревьям, нарушается гидрологический режим почв (Мамаев, 1964; Таран и др., 2004), Изменение физико-химических свойств почвы под действием антропогенных факторов происходит за счет ее обогащения оседающими из дымового облака частицами и в результате ветрового разноса пыли, влияния сточных и промышленных вод, загрязнения почвы в местах стоянок автотранспорта, образования насыпных и перерытых грунтов в результате строительных работ, загрязнения бытовыми отходами в жилых районах, уплотнения почвы в результате вытаптывания (Мамаев, 1964; Ильин и др., 1993). Обычно бывает трудно отделить факты проявления вредного воздействия промышленного загрязнения от бытового или от уплотнения почвы, так как все эти отрицательные явления наблюдаются одновременно.
Таблица 2. Повторяемость (%) задымленности некоторых районов г. Новосибирска в зависимости от направления и скорости ветра (Климат Новосибирска, 1979)
В результате, под действием всех перечисленных факторов, в городской черте происходит деградация естественных фитоценозов, вплоть до полного их исчезновения.
Географическое положение и рельеф
Новосибирск является крупным индустриальным центром Западной Сибири (занимает площадь около 477 км2), расположен в юго-восточной части Западно-Сибирской равнины (географические координаты 55 с. ш. и 83 в. д.). Согласно природному районированию, город находится в лесостепной зоне (провинция - Приобская лесостепь) на границе Приобского плато с Салаирским кряжем и Кузнецкой котловиной (Климат Новосибирска, 1979). В административном отношении он разделен на 10 районов (рисунок 1), каждый из которых вносит определенный вклад в формирование городского микроклимата.
Новосибирск расположен на обоих берегах р. Обь, которая протекает в черте города с юго-востока на северо-запад на протяжении примерно 30 км и делит его на две неравные части: правобережную и левобережную. Правый берег р. Обь высокий, суглинистый, легко размываемый, покрыт сосновым бором шириной от 5 до 25 км. Левый берег р. Обь широкий, ровный, со множеством проток, стариц и болот. В современном рельефе берегов Оби выделяют три надпойменные террасы. Наиболее высокая 3-я терраса (120-130 м над уровнем моря, 30-40 м над уровнем реки) широко распространена на правом берегу, а на левом образует несколько разобщенных площадок. Вторая надпойменная терраса (105-115 м над уровнем моря, 15-25 м над уровнем реки) развита в основном на участках Огурцово - Малое Кривощеково, Ересная -Толмачево, в районе Академгородка и с. Бугры. Рельеф местности, занимаемой террасой, - равнинный с пологим наклоном в сторону Оби. Первая надпойменная терраса имеет отметки 100-105 м над уровнем моря (или 10-15 м над уровнем реки). В районе Новосибирского водохранилища первая и вторая террасы затоплены. Рисунок 1. Административно-хозяйственное деление Новосибирска (Таран и др., 2004).
Тула. Реки правобережья имеют глубокие (до 30м), хорошо разработанные долины, по которым протекают небольшие извилистые речки шириной не более 10 м и глубиной до 1 м (Климат Новосибирска, 1979).
Современный городской рельеф формировался на протяжении длительной геологической истории при сильном воздействии в последние десятилетия антропогенного фактора. Абсолютные высоты в черте города колеблются от 13 до 230 м., активно развиты физико-географические процессы, главными из которых являются эрозия почвы (результат - изрезанность правобережья оврагами и глубокими долинами малых речек), разрушение берегов Оби, заболачивание отдельных участков, затопляемость больших территорий паводковыми водами и просадочность грунтов (Чащина, 1976; Климат Новосибирска, 1979). Особую проблему для города составляет овражная эрозия - всего в пределах Новосибирска насчитывается 220 оврагов общей протяженностью 58,6 км (Климат Новосибирска, 1979).
1.2. Климат.
По природным условиям Новосибирская область целиком входит в лесостепную зону, ее климат является континентальным с теплым летом и умеренно-суровой малоснежной зимой, с температурами января от -13 до -32С (Климат Новосибирска, 1979). Устойчивый снежный покров формируется обычно в начале ноября и сохраняется около 160 дней. Мощность его неравномерная, от 20 до 40 см., больше на залесенных участках - с открытых пространств значительная часть снега сдувается в балки и овраги. На открытых незалесенных массивах почвы промерзают глубоко (до 150-200 см) и оттаивают полностью лишь в конце мая - начале июня. В условиях расчлененного рельефа большая часть талых вод стекает по не оттаявшим слабо водопроницаемым горизонтам почвы в пониженные элементы рельефа (Чащина, 1976).
Среднегодовая сумма осадков составляет 400-500 мм, основная их часть выпадает в теплый период года - с мая по октябрь (рисунок 2). По условиям увлажнения, отношение средней испаряемости к осадкам (индекс сухости)
]] изменяется от 1,00 до 3,00. Сумма положительных температур составляет от 2200 до 4400С. Сумма активных температур воздуха за-теплый период с устойчивой температурой выше 10С равна 1920 С. Безморозный период длится около 120 дней (Климат Новосибирска, 1979).
Самый холодный месяц в году - январь, самый теплый - июль (континентальный пик климата). Средняя годовая амплитуда температуры воздуха 38С, абсолютная 91С (рисунок 2). Период с температурой выше 5 С длится 158 дней, из общего годового количества часов солнечного сияния (2077ч) 65% приходится на вегетационный период.
Для всей Западной Сибири характерно различие погодных условий даже смежных лет. Непосредственная причина этого - циркуляция.воздушных масс с резко различной увлажненностью. Как правило, широтные течения более насыщены влагой, и их господство над территорией сопровождается установлением более влажных погодных условий. И наоборот, меридиональная циркуляция воздуха вызывает резкий дефицит влаги (Ильин, 1966). В среднем, на территории Новосибирской области большую часть года преобладают южные и юго-западные ветры (рисунок 3), летом наблюдается увеличение повторяемости северных и северо-восточных ветров (Климат Новосибирска, 1979).
О применении методов биоиндикации для оценки состояния окружающей среды
В связи со все возрастающими темпами и масштабами урбанизации, становится актуальным определение степени воздействия человека на окружающую среду. Одним из способов комплексной оценки этого воздействия является биоиндикация - определение степени загрязненности геофизических сред с помощью живых организмов (или их сообществ), жизненные функции которых тесно коррелируют с определенными факторами среды (Биоиндикация загрязнений наземных экосистем, 1988). К числу преимуществ биоиндикации перед инструментальными методами следует отнести ее относительно высокую скорость, низкую стоимость и возможность (например при лихеноиндикации) охарактеризовать состояние среды за длительный промежуток времени (Израэль и др., 1982; Трасс, 1983). Выполнение непрерывных или повторяющихся измерений позволяет предупредить возможное поражение дикорастущих и культивируемых растений, а также оценить опасность воздействия на человека и животных различных загрязняющих веществ. Биоиндикационные исследования иногда позволяют проанализировать компоненты загрязнения воздуха при их накоплении в тканях живых организмов и действуют как чувствительная система раннего предупреждения, позволяющая стимулировать разработку профилактических мер, направленных на предотвращение или уменьшение губительного воздействия загрязнения на окружающую среду (Постхумус, 1988; Galley, Lloyd, 1993; Wolterbeek, Bode, 1995; Wolterbeek, 2002). Кроме того, постоянное использование в целях мониторинга некоторых индикаторных видов растений может облегчить изучение пространственно-временного распределения загрязняющих веществ и оценку эффективности мероприятий по уменьшению загрязнения воздуха, а также предугадать тенденции изменений концентрации загрязнителей (Heliotis et al., 1988; Gustafsson, Steinecke, 1995; Bennett, Wetmore, 1997; Garty et al., 1997 a,b; Carreras, Pignata, 2002).
В качестве индикаторов атмосферного загрязнения могут выступать многие виды растений из-за их способности к проявлению эффектов воздействия в виде явных симптомов, свидетельствующих о присутствии одного или нескольких загрязняющих веществ. Кроме того, многие растения легко аккумулируют специфические компоненты загрязнения, которые впоследствии можно проанализировать физико-химическими методами. Иногда одни и те же виды (например многие виды лишайников) могут быть как индикаторами, так и накопителями определенных загрязняющих соединений.
Используя в работе биоиндикационные методы, необходимо учитывать, что важнейшей особенностью всех организмов является реакция на изменения множества факторов окружающей среды. Это фундаментальное свойство биоты усложняет процесс получения информации в форме «воздействие (изменение концентрации поллютанта) - отклик биоиндикатора» в природных условиях. Влияние сезонных изменений состояния среды и колебаний климата при невысоких концентрациях загрязнителей молсет перекрывать прямой эффект от загрязнения. Кроме того, один и тот же вид может по-разному реагировать на загрязнение в разных физико-климатических условиях (Биоиндикация загрязнений наземных экосистем, 1988). Например, на распространение лишайников сильнее влияют условия микроклимата мест обитания и механический состав субстрата, чем континентальные или сезонные климатические изменения (Домбровская, 1963; Израэль и др., 1982; Андерсон, Трешоу, 1988; Мучник, 1997; Hoffman, 1974; Мс. Carthy, 1999; van Herk et al., 2002; Gombert et al., 2004), и их вертикальное распределение на стволах деревьев четко выражено из-за вариаций интенсивности освещения, увлажненности поверхности ствола, относительной влажности воздуха и так далее. Реакция живых организмов на совокупность факторов окружающей среды делает необходимым согласование роли загрязнения и влияния естественных климатических и эдафических факторов.
Еще одной сложностью при использовании растений для мониторинга загрязнения является оценка эффекта одновременного воздействия нескольких загрязнителей, причем такая ситуация достаточно распространена. Воздействие двух или нескольких загрязняющих веществ может быть аддитивным, антагонистическим или синергическим (Постхумус, 1988; Pyatt, 1970; Seaward, 1979), то есть интенсивность воздействия сочетания загрязняющих соединений может быть равной, меньшей или превышающей сумму интенсивно стей воздействия каждого вещества в отдельности при одних и тех же концентрациях и внешних условиях.
В настоящее время известно несколько типов эффектов воздействия загрязнения воздуха на растения, которые условно можно разделить на эффекты острого воздействия высоких концентраций загрязняющих веществ (поллютантов) за короткий промежуток времени и хронического воздействия их низких концентраций за продолжительный промежуток времени (Постхумус, 1988). Воздействие поллютантов на организм растения может быть специфичным и неспецифичным. Первое существенно зависит от свойств поллютанта. Например, газы-окислители нарушают нормальный ход метаболизма в организме растения, а тяжелые металлы (медь, кадмий, цинк) изменяют химический состав фотопигментов, что приводит к изменению интенсивности фотосинтеза (Израэль и др., 1982; Garty et al, 1997 a,b; Riga-Karandinos, Karandinos, 1998; Tarhanen, 1998). Неспецифичное действие загрязнителей проявляется в снижении общей жизнестойкости растений, которое, по-видимому, связано с перераспределением продуктов ассимиляции на восстановление нарушений метаболизма (Постхумус, 1988).
История возникновения и развития понятия «синузия»
Прежде чем охарактеризовать основные лихеносинузии в различных сообществах на территории г. Новосибирска, необходимо кратко остановиться на самом понятии «синузия», поскольку этот термин разными исследователями понимается по-разному.
Впервые термин «синузия» был предложен Г. Гамсом (Сукачев, 1928), им же была дана и первая классификация синузий: синузии первого порядка (состоящие из одного вида), второго порядка (состоящие из нескольких видов одной жизненной формы) и третьего порядка (состоящие из видов разных жизненных форм). Таким образом, синузии могут соответствовать ярусам, но могут в числе нескольких входить в один ярус.
Понятие «экологическая группа» (или «общежитие» растений), близкое понятию «синузия» Гамса, применяет в своих работах Келлер, отмечая, что это понятие не совпадает с понятием «ярус» (Трасс, 1976). «Общежитие» в сообществе, по крайней мере в некоторой степени, ценотически автономно, характеризуется комплексом экологических условий, который отличается от условий среды в других «общежитиях» данного сообщества, т.е. в сообществах встречаются группы одного или нескольких видов, которые имеют СБОЮ обособленную внутреннюю социальную и внешнюю среду. То есть основными чертами «общежития» растений являются групповая обособленность, специфическая среда, и сравнительная автономность - которые также являются и признаками синузии.
В дальнейшем термин «синузия» приобрел несколько существенно отличающихся друг от друга определений. Среди разных подходов к данному понятию можно выделить два основных направления. Первое из них представляют работы В.Н. Сукачева, в которых дается определение синузии как части населения фитоценоза, экологически и фитоценологи чески обособленной в пространстве или во времени (Сукачев, 1934, 1935). К синузиям принадлежат ярусы растений, устанавливаемые по расположению растений или их деятельных частей в надземных и подземных частях среды части фитоценоза, обособленные по своему сезонному развитию, затем мхи и лишайники на стволах деревьев и так далее. Синузия рассматривается как структурная часть фитоценоза и может быть то более широкого, то более узкого значения - в частности, принимая сезонно обособленные части фитоценоза за особые синузии, в их пределах можно различать ярусные синузии (Сукачев, 1934).
Второй подход к выделению и классификации синузии реализован в работах Дю Рие и Липпмаа определявших синузии как «...одноярусные части фитоценозов, относительно гомогенные по составу жизненных форм и экологическим условиям...» (Трасс, 1976). Дю Рие, совместно с Гамсом и Липпмаа, был разработан комплекс синузиальных классификационных единиц, не нашедший широкого применения.
В отечественной литературе разными авторами при выделении и анализе синузии используются разные критерии (Миняев, 1963; Норин, 1965,1987; Трасс, 1968; Ипатов, Кирикова, 1980). Наиболее часто упоминаются следующие признаки синузии: 1. Синузия образована растениями одной или нескольких близких жизненных форм; 2. Растения в синузии сближены (сомкнуты) в подземных или надземных частях и взаимодействуют между собой; 3. Растения, образующие синузию, экологически сходны; 4. Синузия пространственно, морфологически и экологически обособлена, и образует функционально единую экологическую нишу; 5. Синузия относительно автономна, то есть синузии одного и того же типа могут встретиться в комбинации с синузиями разных типов.
Критерий общности жизненной формы имеет большое значение при анализе синузий, поскольку конкуренция за жизненные ресурсы (элементы питания, влагу, свет) является наиболее острой среди растений, сходных по потребностям и потребляющих вещество и энергию из одного источника одновременно. Для этого необходимо, чтобы растения находились в одном слое - то есть в конкурентные отношения вступают растения одной или близких экобиоморф. Именно такие растения входят в синузию, и взаимоотношения растений внутри синузий носят характер конкуренции, приводящей к дифференциации растений на господствующие, угнетенные и индетерминантные (Ипатов, Кирикова, 1980).
В современной лихенологической литературе синузий обычно рассматриваются в смысле синузий 2-го порядка Г. Гамса (Трасс, 1968; Бязров, 1969, 1970; Седельникова, 1973, 1980, 1987; 1974, 1990; Голубкова 1975; Бредкина, Голубкова, 1977; Андреев, 1979, 1984; Седельникова, Седельников, 1979; Седельникова, Бубнова,1983; Седельникова и др., 1989; Пристяжнюк, 1996b). После ботанического конгресса в Амстердаме в 1955г, основной синузиальной единицей принят унион, который выделяется главным образом на основании жизненных форм. В состав униона включаются виды одной, реже двух близких жизненных форм. Но, так как в различных частях своего ареала унион неоднороден по составу и экологии, на основании доминирующих видов, при учете остального видового состава и экологических условий, обусловливающих различия в составе, выделяются варианты униона, которые, по Липпмаа, называются социететами (Трасс, 1968; Седельникова, 1973; Андреев,1979).
Основные закономерности распространения лишайников по городской территории
При анализе распространения как отдельных видов лишайников, так и их группировок в пределах городской территории были выявлены следующие закономерности. По мере увеличения антропогенной нагрузки, происходит сокращение видового разнообразия и обилия лишайников (рисунки 11,12), -при этом полностью исчезают эпигейные лишайники (рисунок 13), значительно снижается встречаемость и обилие многих эпиксильных (в частности, представителей рода Cladonia, выявленных на трухлявых пнях в пригородных сообществах), а также ряда эпифлеодных видов, например кустистых (из родов Usnea, Evernia) и некоторых листоватых (Parmelia sulcata, Flavopunctelia soredica, Hypogymnia physodes, Platismatia glauca, виды рода Melanelia), которые в сильно загрязненных районах либо не найдены, либо отмечались очень редко, и выявленные слоевища были сильно повреждены (Свирко, 2006 а,Ь).
Тем не менее, в парках и дворовых посадках загрязненных районов выявлено в общей сложности 68 видов эпифлеодных лишайников из 12 семейств и 27 родов, причем три из них - Leptorhaphis lucida Koerb., Naetrocymbe punctiformis (Pers.) R.C. Harris и Thelenella modesta (Nyl.) Nyl. - не найдены в слабо нарушенных пригородных лесах. Выявлено 15 наиболее распространенных видов, встречающихся во всех изученных районах и относительно устойчивых к атмосферному загрязнению: Caloplaca cerina, С. holocarpa, Candelariella xanthostigma, Lecania cyrtellina, Lecanora pulicaris, Phaeophyscia orbicularis, Ph. kairamoi, Physcia dubia, Ph. stellaris, Ph. tenella, Physconia detersa, Ph. grisea, Rinodina pyrina, Scoliciosporum chlorococcum и Xanthoria candelaria.
В лихеноиндикационных целях использовались только эпифлеодные лишайники, поскольку представители именно этой группы наиболее широко распространены по исследуемой территории. Каждый вид был отнесен к тому или иному классу полеотолерантности, в зависимости от средних значений встречаемости и обилия в растительных сообществах, отличающихся по степени антропогенной нарушенности. К первому классу относятся виды, отмеченные только в лесных сообществах пригородных территорий, подвергающихся слабому антропогенному влиянию (например, сосновый бор в окрестностях ЦСБС СО РАН, Академгородка, микрорайона Правые Чемы и Нижней Ельцовки). Во второй класс вошли виды, характеризующиеся высокими значениями встречаемости и обилия в ненарушенных лесах, но также изредка встреченные и в незначительно нарушенных сообществах (например, в Заельцовском бору, а также в березово-сосновом лесу в Первомайском районе и в окрестностях пос. Кудряши). К третьему классу полеотолерантности причислены виды, одинаково часто встречавшиеся и в естественных и в слабо нарушенных лесных массивах, к четвертому - виды, которые изредка встречаются еще и в умеренно измененных ландшафтах (например, лесополосы в пригородной зоне, Заельцовский парк, сосновый бор в Калининском районе). К пятому классу полеотолерантности относятся виды, отмеченные с равной частотой во всех трех указанных вариантах сообществ. К шестому - виды, отмеченные редко в естественных условиях и часто - в сообществах, подвергающихся умеренной антропогенной нагрузке. К седьмому классу причислены виды, часто встречающиеся в умеренно и изредка - в сильно измененных сообществах (таких как городские парки и скверы, а также посадки во дворах). Восьмой класс полеотолерантности объединил виды, с одинаковой частотой отмеченные в умеренно и сильно нарушенных сообществах. К девятому классу отнесены виды, часто встречающиеся в условиях интенсивной антропогенной нагрузки, а к десятому - виды, отмеченные (хотя и с низкими значениями встречаемости и обилия) в экстремальных для произрастания лишайников условиях (например, посадки вдоль транспортных магистралей, а также Нарымский сквер в Железнодорожном и Первомайский в Центральном районах); кроме того, к десятому классу полеотолерантности отнесены, три вида, отмеченные только в городских скверах и дворовых посадках, и не встреченные в сообществах, подвергающихся более слабой антропогенной нагрузке.
Среди эпифлеодиых лишайников наибольшее число видов относится к первым трем классам полеотолерантности (таблица 13). Эти лишайники встречаются в естественных и слабо нарушенных сообществах и не отмечены в умеренно, а тем более сильно нарушенных. Примерно треть видов, относящихся к первому классу характеризуются единичной встречаемостью и найдены только в Советском районе: в окрестностях Академгородка,, ЦСБС СО РАН и Нижней Ельцовки.
