Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Мониторинг качества среды по показателям флуктуирующей асимметрии 8
1.1. Биоиндикация и биомониторинг 8
1.2. Реакция растений на негативные воздействия окружающей среды и их использование в биоиндикации 12
1.3. Морфогенегический подход при оценке качества среды 21
1.4. Распространенность явлений асимметрии в живой природе и проявления асимметрии у растений 22
1.5. Флуктуирующая асимметрия и нарушения гомеостаза развития 33
1.6. Применение флуктуирующей асимметрии в экологических исследованиях 36
Глава 2. Физико-географические условия района исследования и экологические особенности антропогенного ландшафта 40
2.1. Экологические особенности юродской среды 40
2.2. Физико-географическая и экологическая характеристика г. Якутска 43
Глава 3. Материал и методы исследования 63
Глава 4. Результаты и их обсуждение 73
4.1. Влияние биотических и абиотических факторов на показатели ФА березы илосколистной в природных биотопах 73
4.2. Показатели флуктуирующей асимметрии растений в условиях антропогенного воздействия на примере г. Якутска 77
4.3. Динамика изменения показателя ФА березы плосколистной в зависимости от уровня загрязнения окружающей среды 92
4.4. Флуктуирующая асимметрия как показатель межгодовых изменений экологических условий окружающей среды 103
4.5. Показатели флуктуирующей асимметрии растений в условиях заірязнения нефтепродуктами 106
4.6. Влияние железной дороги на стабильность развития растений... 113
4.7. Радиационное загрязнение 113
Заключение 121
Выводы 124
Литература 126
- Реакция растений на негативные воздействия окружающей среды и их использование в биоиндикации
- Экологические особенности юродской среды
- Влияние биотических и абиотических факторов на показатели ФА березы илосколистной в природных биотопах
Введение к работе
Актуальность проблемы
Оценка качества среды становится принципиально важной задачей, как при планировании, так и при осуществлении любых мероприятий по природопользованию, охране природы и обеспечению экологической безопасности. Одним из перспективных подходов для интеїральной характеристики качества среды является оценка состояния живых организмов по стабильности развития, которая характеризуется уровнем флуктуирующей асимметрии морфологических структур.
Древесные растения в городских ландшафтах выполняют важнейшие средообразующие и средозащитные функции, связанные с выделением кислорода и фитонцидов, ионизацией воздуха, формированием своеобразного микроклимата. Однако насаждения, произрастающие на урбанизированных территориях, испытывают на себе постоянное отрицательное влияние техногенного загрязнения. Поэтому с каждым годом все большее значение приобретает проблема изучения жизнедеятельности древесных растений в городских условиях.
Вредные выбросы автотранспорта и промышленных предприятий, превышающие ПДК, губят растительность на локальных территориях и в масштабе целых районов. Продолжительность жизни деревьев сокращается в 4-Ю раз, особенно при неправильном подборе посадочного материала. Нагрузки на ю-родские территории в пределах застройки с высокой плотностью населения способствуют уплотнению и вытаптыванию почв, обеднению их питательными веществами. Нарушается репродуктивность, что приводит к деградации растительности из-за превышения ПДВ (Маслов, 2003).
Одним из удобных способов оценки интенсивности антропогенною воздействия является метод оценки качества среды по показателям нарушения стабильности развития организмов. При этом наиболее широко применяется морфогенетический подход, основанный на оценке внутрииндивидуальной изменчивости морфологических структур, в частности, степени выраженности
флуктуирующей асимметрии (Последствия Чернобыльской..., 1996; Захаров и др., 2000 а).
Целью нашей работы является оценка качества среды природных и антропогенных территорий Яку і ии по показателям нарушения стабильности развития высших растений на примере березы плосколистной (Betula platyphylla Sukacz.).
При этом перед нами были поставлены следующие задачи
Изучение стабильности развития березы плосколистной в природных условиях.
Оценка стабильности развития березы плосколистной в условиях городской среды.
Оценка влияния разных загрязнителей на показатели ФА березы плос-
колистной.
4. Выполнение экологического картирования и зонирования терриюрии
г. Якутска.
Научная новизна и практическая значимосіь работы Методика, рекомендованная МНР РФ для березы повислой, опробовована для нового вида, и проведено сравнение балльной шкалы оценок. Впервые приводятся данные по показателям стабильности развития березы плосколистной в условиях различных природных ценозов и показано, что стабильность развития зависит не только от техногенных, но и широкого круга биотических и абиотических факторов. 11а основе данных но показателям стабильности развития разработаны принципы зонирования и создана карта территории г. Якутска, отражающая качество среды.
Результаты исследований использовались при оценке последствий природной катастрофы в долине р. Лены (г. Ленек), в окрестностях аварийных подземных ядерных взрывов на территории Западной Якутии, вошли в научные отчеты ИПЭС АН PC (Я) «Проведение экологического мониторинга и разработка рекомендаций природоохранных мероприятий с целью обеспечения экологиче-
ского обоснования обустройства скважин СВГКМ в пойменной части р. Вилюй», «Оценка современного состояния территории Талаканскоіо нефтегазо-конденсатного месторождения». Результаты оценки состояния экосистем после техногенною воздействия были изложены на научно-практических конференциях «Экологическая безопасность р. Лены. Мониторинг, природные и техно-іенньїе катастрофы» (Якутск, 2001), «Радиационная безопасность Республики Саха (Якутия)» (Якутск, 2003).
Основные положения, выносимые на защиту
Величина ФА березы плосколистной в природных биотопах зависит от внутривидовых и межвидовых отношений, а также воздействия абиошче-ских факторов. Повышенный показатель ФА наблюдается на экологической периферии ареала.
Показатели ФА березы плосколистной в условиях юродской среды зависят от уровня загрязнения воздуха и почвы.
Нарушения стабильности развития у древесных и кустарниковых растений наблюдаются при воздействии разных антропогенных факторов - загрязнения, связанные с работой транспорта и промышленных предприятий, нефтезагрязнений, повышенного радиационного фона.
Апробация работы
Основные результаты диссертации опубликованы в научных работах. Результаты исследований и материалы диссертационной работы были изложены на международной научной конференции «Студент и НТП» (Новосибирск, 2001); научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых, посвященной 45-летию Якутского Государственного Университета им. М.К. Аммо-сова (Якутск 2003); III регионально научно-практической конференции молодых ученых, аспирантов и студентов посвященная 10-летию техническою института ЯГУ в г. Нерюнгри (Нерюнгри, 2003 г); научно-практической конфе-
ренции «Экологическая безопасность реки Лены» (Якутск, 2001); международной научно-практической конференции «Прикладная экология Севера: опыт проведенных исследований, современное состояние и перспективы» (Якутск, 2003); республиканской научно-практической конференции «Радиационная безопасность PC (Я)» (Якутск, 2004); научно-практической конференции «Проблемы экологии и рациональною природопользования природных ресурсов в Дальневосточном регионе» (Благовещенск, 2004).
Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 11 научных работах.
Благодарности. В сборе материала для представленной работы оказывали содействие и товарищескую помощь большое количество специалистов, которые в разное время работали вместе с автором. В особенности необходимо отметить д.б.н. ЯЛ. Вольнерта, к.б.н. В.А. Данилова, Т.М. Портнягину и Д.Я. Шадрина. Благодарю к.б.н. B.C. Макарова за помощь в составлении карты г. Якутска, а также студентов ЯГУ, в разные годы помогавших в сборе и обработке материала- П.Н. Михайлову, И.II. Капитонову, СВ. Петрову, II.И. Бурцеву.
Всем перечисленным лицам, пользуясь случаем, автор выражает свою искреннюю благодарность.
Реакция растений на негативные воздействия окружающей среды и их использование в биоиндикации
При выборе вида в зависимости от задачи исследования, необходимо учи тывать, что, в силу прикрепленного образа жизни, мелкие травянистые виды растений в большей степени, по сравнению с древесными видами, могут отражать микробиотоиические условия (как естественные - локальные различия типа почвы, влажности и других факторов, так и антропогенные - точечное загрязнение). При наличии таких микробиотопических различий, получаемые оценки состояния растений могут существенно различаться для разных видов. Это означает, что для выявления микробиотопических различий предпочтителен выбор травянистых, в то время как для характеристики достаточно больших территорий лучше использовать древесные растения (Захаров и др., 2001 б).
Известно, что многие растения быстро реагируют на низкие концентрации загрязнения и их реакция поддается прогнозу. Но этой причине растения обычно считаются более чувствительными к воздействию загрязняющих веществ, чем животные и человек. Растения представляют собой превосходный экспериментальный материал, так как их легко разводить и можно жертвовать ими в большом количестве для получения наиболее полной информации (Мэн-нинг, Федер, 1985).
Растение-индикатор - это такое растение, у которого признаки повреждения появляются при воздействии на него фитотоксичной концентрации одного загрязняющего вещества или смеси таких веществ. Растение индикатор является химическим сенсором, который может обнаруживать в воздухе присутствие загрязняющего вещества. Для мониторинга в большей степени характерна не качественная, а количественная оценка. Поэтому растение-монитор должен быть не только индикатором, но и помогать в получении количественной оценки (Мэннинг, Федер, 1985).
Использование чувствительных растительных биомониторов в сочетании с инструментальными методами измерений позволит получить необходимую информацию об ответной реакции растений-биомониторов на загрязнения окружающей среды. Такая информация важна и полезна не только для научных исследований, но и для выработки оценки и пересмотра стандартов качества окружающей среды (Мэннинг, Федер, 1985).
Большинство растений-биомониторов реаі ируют на действия не одної о, а нескольких загрязняющих веществ, и поэтому правильно интерпретировать отклики растений на воздействие очень трудно. Ответные реакции других растений на воздействия загрязняющих веществ могут быть не типичными или признаки их повреждения нечетко выражены. По этой причине ощущается потребность вывести растения с подобными устойчивыми фенотипами для использования в системах биомониторинга. Подобные исследования будут способствовать устранению имеющейся значительной неопределенности в интерпретации откликов растений-биомониторов в естественных условиях (Мэннинг, Федер, 1985).
При работе с биоиндикатором необходимо считаться с возможностью присутствия вредителей, а также учитывать предыдущие погодные условия. Воздействие климатических и эдафических факторов на устойчивость или на картину повреждения до сих пор не изучено. Наряду с неспецифическими реакциями может наблюдаться также тесная корреляция между показателями видовой чувствительности различных видов растений к различным видам антропогенных воздействий. Оно проявляется в том, что если данный вид чувствителен к каким-либо загрязнениям, очень вероятно, что он чувствителен и к другим.
Постоянное загрязнение воздуха промышленными газами вызывает появление видимых повреждений в виде некрозов (ожогов) на листьях и хвое (Иль-кун, 1978; Николаевский, 1979; Строганов и др., 1970; Garber, 1967; Berge, 1963). Многие исследователи отмечают засыхание побегов и ветвей в кроне, торможение роста главного побега и наоборот интенсивное боковое побегообразование, а также ускорение процессов старения организмов под влиянием условий внешней среды (Новикова, 1976; Николаевский, 1989; Тарабрин и др., 1986).
Экологические особенности юродской среды
Принято считать, что в пределах урбанизированных территорий имеется много негативных факторов, влияющих на среду, но самым опасным является автотранспорт. І Іереход в XX веке к топливу, получаемому из бензина, привел к возникновению совершенно нового вида загрязнения воздуха, связанною с большей летучестью жидких видов топлива. Автотранспорт как важнейший потребитель жидкого топлива стал основным источником современною загрязнения воздуха. Однако заірязнители, которые действительно вызывают проблемы, сами но себе не выбрасываются автотранспортом. Скорее, они образуются в атмосфере в результате реакций первичных загрязнителей, таких как N0, с несюревшим топливом, поступающим непосредственно из автомобилей. Химические реакции, приводящие к образованию вторичных загрязнителей, протекают наиболее эффективно при солнечном свете, поэтому возникающее загрязнение воздуха называется фотохимическим смогом (Андруз и др., 1999).
Фотохимический смог - не единственная проблема, создаваемая автотранспортом. С автомобилями связывают и другие загрязнители, например свинец и бензол. Успех улучшения работы автомобильных двигателей привел к тому, что в странах, где мною автомобилей сконцентрировалось очень большие количества свинца (Андруз и др., 1999). Опасность автомобильных выхлопных газов в отличие от других загрязнителей в том, что вредные вещества, выбрасываемые производственными предприятиями, концентрируются но ограниченному радиусу в определенной зоне, а выхлопные газы автомобилей преследуют человека на всей территории населенного пункта, и не случайно в настоящее время считают, что если два десятилетия назад атмосферный воздух больше загрязнялся выбросами промышленных предприятий и продуктами сжигания угля, но ныне первенство в этом принадлежит автомобильному транспорту.
Изменения, вызванные человеком, значительны, хотя иногда и неуловимы в глобальном масштабе. Именно в атмосфере юродов влияние человека выражено наиболее ярко. В городской среде присутствуют загрязняющие вещества, непосредственно выброшенные в атмосферу, они называются первичными зафязнителями. Дым - это наглядный пример первичного загрязнения. Мної ие соединения, однако, подвергаются реакциям в атмосфере. Продукты таких реакций называются вторичными зафязнителями. Таким образом, многие первичные зафязнители могут вступать в реакции с образованием вторичных. Именно различие между первым и вторым заірязнением лежит в основе понимания разницы между отдельными типами зафязнения воздуха, оказывающими влияние на города (Андруз и др., 1999).
Автомобили выбрасывают вместе с выхлопными газами соединения свинца, сажу и другие тверділе углеводороды. Частицы свинца в выхлопных газах содержатся в случаях добавления к бензину в качестве антидетонатора тет-раэтилсвинца или тетраметилсвинца. При сюрании такого топлива 98 % содержащеюся в нем свинца выбрасывается в атмосферу в виде аэрозоля окиси или галогеновых солей.
С начала 30-х юдов тетраметил- и тетраэтилсвинец добавляют в качестве антидетонатора к подавляющему большинству бензинов в количестве 80 мг/л. При движении автомобиля от 25 до 75% этою свинца выбрасывается в атмосферу, осаждается на землю, попадает в поверхностные воды. Свинец аккумулируется в почве и растительности вдоль автострад (в городах - вдоль улиц с оживленным движением), заметное количество соединений свинца содержится в воздухе крупных городов. Исходя из средних потерь нефтепродуктов по одну автомашину 10-11 л в і од, общий выброс нефтепродуктов мировым автомобильным парком исчисляется 2,1-2,2 млн. т в год, причем большая часть ею попадает в атмосферу (Лозановская и др., 1998).
Подсчитано, что общее количество свинца, поступающего от автомоби лей в атмосферу в течение года, составляет 250 тысяч тонн. Крупные частицы оседают на автомагистрали или вблизи от нее, а мелкие разносятся воздушными потоками на большие расстояния. Концентрация свинцовой пыли в воздухе города и за ее окраинами определяются интенсивностью движения автомобилей, скоростью и направлением ветра. Не выявлено связи концентрации свинца с температурой и влажностью воздуха. Этот объем аэрозоля кажется незначительным для всей суши, но если учесть, что города занимают 0,01 % ее площади, то концентрация свинцовой пыли оказывается значительной.
В промышленно развитых странах основным источником загрязнения атмосферы является автотранспорт, парк которого непрерывно растет. Выбросы автотранспорта существенно зависят от режима работы двигателя и качества используемою топлива. К токсичным соединениям относят следующие компоненты выхлопных іазов: оксид углерода, оксид азота, углеводороды. Кроме то-10, некоторые виды топлива содержат серу, что обуславливает содержание в выхлопных газах диоксида серы.
Предприятия автотранспорта включают автомобильный, морской, водный внутренний, железнодорожный и авиационный виды транспорта. Автотранспортные предприятия - наиболее проблемные загрязнители. Негативное влияние автотранспорта особенно заметно в населенных пунктах. Большую опасность представляют поступающие с отработавшими газами автомобилей канцерогенные вещества (бенз(а)пирен, бензол, формальдегид, сажа) и тяжелые металлы. Сохранила свою актуальность проблема свинцового загрязнения, связанная с преимущественным потреблением этилированных бензинов.
Влияние биотических и абиотических факторов на показатели ФА березы илосколистной в природных биотопах
Природные территории могут существенно различаться по показателям нарушения стабильности развития организмов вследствие воздействия биотических и абиотических факторов. У растений показатель ФА може г варьировать в значительно более широких пределах, что объясняется, прежде всею, особенностями прикрепленною образа жизни и зависимостыо от влажности и освещенности. Так, повышение уровня асимметрии может наблюдаться в условиях усиления межвидовой и внутривидовой конкуренции, например на сильно затененных более высокими деревьями участках, в лесных стациях с высокой густотой древостоя.
Например, повышенный показатель асимметрии может наблюдаться в зависимости от освещенности: у молодой поросли (представители нижнею яруса); в густой березовой роще и на опушке смешанного леса (табл. 4.1). Если к абиотическому фактору прибавиться антропогенный, то наблюдается очень высокий показатель ФА - 0,057 (например, улица Кулаковского). Молодые деревья находились в очень сильном угнетенном состоянии, росли под деревянным навесом, вследствие этого из-за нехватки света развились очень большие листовые пластинки. В то же время, даже в биотопах, подверженных косвенному техногенному воздействию, показатели ФА у березы моїут быть сравнимы с показателями растений из природных биотопов, при условии хорошей освещенности и нена-рушенности почвенного покрова, как это наблюдалось на территории западной Якутии по окраинам дражных полигонов (табл. 4.1). Зато в природных биотопах повышенный показатель асимметрии может быть отмечен у деревьев, произрастающих на обедненных почвах, например на каменистом склоне сопки.
Такую же существенную роль в повышении асимметрии моїут сыграть и межвидовые взаимодействия (смешанный хвойно-лиственный лес, березово-черемуховые колки), это можно объяснить угнетенностью берез друї ими видами (табл. 4.1).
Негативное влияние природно-климатических факторов можно выявить, анализируя показатель ФА у растений, произрастающих на экологической периферии ареала. Например, на севере Якутии, вблизи границы естественною ареала березы, показатель ФА составил 0,052, что статистически значимо выше, чем в большинстве природных биотопов Центральной Якутии и сопоставимо с показателем растений из техногенно трансформированных ценозов. Аналогичное явление может наблюдаться и при подъеме в юры или в условиях Севера -даже в предюрьях. Так, на территории Нерюнгринского района, где условия для произрастания березы плосколистной неблагоприятны, показатель ФА был также повышен по сравнению с Центральной Якутией (табл. 4.1).
Также зависимость величины ФА зависит от обилия насекомых вредителей. Оказалось, что березы, сильно пораженные насекомыми вредителями, характеризуются повышенными уровнями асимметрии. Сходные данные были получены на северо-западе Российской Федерации, где в окрестностях никеле-вою завода часть кустов ивы была сильно поражена листоедами, что в некоторых случаях даже привело к дефолиации, а при сохранении листьев - к повышению уровня флуктуирующей асимметрии (Zvereva, Ko/lov, 1997). Следовательно, иораженность вредителями можно рассматривать как один из факторов биотической природы, приводящий к нарушениям стабильности развития растений.
Из вышеизложенного следует, что на показатель ФА влияет не только ан-тропоіенньїе факторы, но абиотические и биотические факторы среды. Т.е. в некоторых случаях показатель ФА в антропогенном биотопе может быть такой же, как и в природном. Так как наряду с неіативньїми воздействиями у юродских насаждений существует ряд положительных моментов - регулярный полив, отсутствие межвидовой конкуренции, меньшая плотноеіь насаждений, защита от объедания животными. В результате в ряде случаев на территории населенных пунктов показатель ФА листа березы может быть даже ниже, чем в природе.
Кроме того, надо отметить, что при сборе материала для оценки качества среды очень важно соблюдение методики - сбор листьев с деревьев іенератив-ною возраста, т.к. у молодых ювенильных растений листовая пластинка, как правило, характеризуется более выраженной асимметрией. Также надо отметить, что нельзя собирать листья до периода окончания формирования листовой пластинки. Наши данные показывают, что в условиях Якутии этот период длится почти до конца июня - листья, собранные в июне, характеризуются повышенным уровнем ФА (табл. 4.1), тогда как между листьями, собранными в июле и августе с одних и тех же деревьев, различий в величине показателя ФА не отмечено.
