Содержание к диссертации
Введение
1 СОСТОЯНИЕ АНТРОПОГЕННО НАРУШЕННЫХ ЭКОСИСТЕМ И МЕТОДЫ ЕГО МОНИТОРИНГА 9
1.1 Экологические проблемы малых городов и поселений 9
1.2 Методы оценки состояния окружающей среды 16
1.2.1 Фитоиндикация 19
1.2.2 Влияние биотопических условий на реакцию фитоиндикатров... 23
1.3 Флористические и популяционно-динамические изменения, вызываемые антропогенными стрессорами 27
2 ПРИРОДНЫЕ УСЛОВИЯ РАЙОНА ИССЛЕДОВАНИЙ 37
2.1 Географическое положение и рельеф 37
2.2 Климат 38
2.3 Почвы 41
2.4 Растительность 44
2.5 Экономико-географическое положение района исследований . 46
2.5.1 Западный регион 46
2.5.2 Город Балашов и Балашовский район 50
2.5.3 Экологическое состояние г. Балашова и его рекреационной зоны 50
3 ОБЪЕКТЫ, МЕТОДЫ И ОБЪЕМ ИССЛЕДОВАНИЙ 54
3.1 Объекты исследований 54
3.2 Методы исследований 57
3.2.1 Методы полевых исследований 58
3.2.2 Методы лабораторного исследования проб почвенного и растительного материала 63
3.3 Математическая обработка результатов исследований 68
4 ЗАГРЯЗНЕНИЕ ПОЧВ Г. БАЛАШОВА ТЯЖЕЛЫМИ МЕТАЛЛАМИ И НАКОПЛЕНИЕ ИХ В РАСТЕНИЯХ 70
4.1 Оценка интенсивности транспортного движения 70
4.2 Содержание тяжелых металлов в почвах, листьях Salix albaf. "Vitellina pendula и фитомассе Bryum capillare Hedw 74
5 МОРФОЛОГИЧЕСКИЕ ИЗМЕНЕНИЯ РАСТЕНИЙ ПОД ВЛИЯНИЕМ АНТРОПОГЕННОГО СТРЕССА 86
5.1 Изменения репродуктивных органов 86
5.2 Изменения вегетативных органов 91
5.3 Фитоиндикация состояния окружающей среды по частотам встречаемости фенов Trifolium repens L 98
6 ДИНАМИКА ФЛОРИСТИЧЕСКОГО СОСТАВА И СТРУКТУРЫ СИНАНТРОПНЫХ СООБЩЕСТВ 103
ВЫВОДЫ 125
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 128
ПРИЛОЖЕНИЕ 156
Введение к работе
Актуальность темы. Экологическая обстановка малых городов (на примере г. Балашова) остается неблагополучной из-за износа технологического, очистного оборудования, аварий, бурного роста численности автомобилей, накопления отбросов производства, торговли и жизнедеятельности человека. Происходит загрязнение воды, воздуха, почвы и продуктов питания, что отрицательно сказывается на здоровье населения. Недостаточен полноценный оперативный социально-гигиенический мониторинг. В этих условиях целесообразно проводить оценку состояния окружающей природной среды всеми доступными методами.
Перспективной является фитоиндикация, которая ускоряет и облегчает обычные методы физико-химических исследований загрязнений. Растения чувствительны ко всему комплексу неблагоприятных условий среды. По фитоиндикации накоплен большой научный материал и разработаны различные методы ее проведения (Б.В. Виноградов, СВ. Викторов, Л.Г. Раменский, Д.Н. Цыганов, Н.М. Матвеев, Л.М. Кавеленова, Н.В. Прохорова). Вместе с тем, недостаточно изучены реакции отдельных видов растений и фитоценозов на антропогенный стресс в условиях малых городов, что и определило актуальность темы диссертационной работы.
Связь темы диссертации с плановыми исследованиями. Работа выполнялась в соответствии с плановой тематикой кафедры биологии и экологии Балашовского филиала Саратовского государственного университета им. Н.Г. Чернышевского «Структура, состояние и охрана экосистем Прихоперья» в период с 2001 по 2006 гг.
Цель и задачи исследований.
Цель проведенного исследования заключалась в комплексной оценке растений и растительных группировок как объектов фитоиндикации экологической среды в малом городе. Задачи исследования включали:
1. Определение содержания тяжелых металлов в почвенных образцах, фитомассе мхов и высших растений при разной степени антропогенной нагрузки.
2. Исследование репродуктивной способности Acer negundo L., Salix alba f. Vitellina pendula и Betula pendula Roth по количеству цветов на модельных ветвях, длине соцветий и фертильности пыльцы в зависимости от степени загрязнения окружающей среды.
3. Изучение динамики морфометрических показателей древесных растений (размеры почек, флуктуирующая асимметрия листьев) при разной интенсивности воздействия урбанизированной среды.
4. Исследование изменения частот встречаемости фенов Trifolium repens L. в г. Балашове и его рекреационной зоне.
5. Оценить состояние окружающей среды по изменению синантропной флоры в пределах г. Балашова и его рекреационной зоны.
Научная новизна. Впервые для малого города (Балашова) и его рекреационной зоны определено содержание тяжелых металлов в образцах почв, листьев Salix albaf. Vitellinapendula и талломов мха Bryum capillare Hedw., которые в 1,5-2,5 раза превышают фоновые значения. Установлено уменьшение количества и размеров соцветий Acer negundo L., S. alba f. Vitellina pendula и Betula pendula Roth в среднем на 20...30% и незначительное увеличение доли стерильных пыльцевых зерен В. pendula Roth, при усилении антропогенной нагрузки. Разработана шкала для оценки уровня антропогенного прессинга по числу соцветий S. alba f. Vitellina pendula . Обнаружено увеличение размеров почек Aesculus hippocastanum L., Syringa vulgaris L., Sorbus aucuparia L. на 20...30% в загрязненных местообитаниях. В условиях урбанизированной среды максимальное значение флуктуирующей асимметрии листьев В. pendula Roth, отмечено по признаку «расстояние между основаниями первой и второй жилок». На участках с выраженной антропогенной нагрузкой и загрязненной тяжелыми металлами почвой формируются сорно-рудеральные фитоценозы с редуцированным видовым составом, преобладанием однолетних и корневищных растений и значительной долей адвентивных видов. Они находятся на начальных стадиях восстановительных сукцессии. Установленная реакция отдельных растений, их органов и растительных сообществ может быть использована для фитоиндикации экологических условий малого города.
Достоверность результатов. Достоверность полученных в работе результатов и выводов подтверждается обширным материалом, собранным в результате многолетних исследований, использованием современных методов в области биологии и экологии, а также математическим анализом результатов исследований с применением компьютерной программы Microsoft Excel.
Практическая значимость. Полученная информация может быть использована природоохранными организациями для разработки мероприятий, направленных на нейтрализацию отрицательного антропогенного прессинга и восстановление нарушенных экосистем, а также при изучении дисциплин экологической направленности. Изученные параметры изменения растений и растительных сообществ можно использовать для организации мониторинга состояния окружающей природной среды малого города.
Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на научных конференциях молодых ученых в 2003 - 2005 гг.: «Актуальные проблемы науки и образования» (Балашов, 2003, 2004, 2005,), межвузовской конференции «Структура, состояние и охрана экосистем Прихоперья» (Балашов, 2003, 2006), международной научно-практической конференции «Состояние биосферы и здоровье людей» (Пенза, 2003), международном студенческом форуме «Образование. Наука. Производство» (Белгород, 2004). Декларация личного участия автора. Настоящая диссертационная работа является результатом комплексных исследований, выполненных лично автором в 2001 - 2006 гг. Автором диссертации проведена закладка опытов, сбор, обработка и анализ полевых и лабораторных материалов, разработаны основные теоретические положения диссертационной работы, выводы и практические рекомендации. Все опубликованные работы написаны автором или при непосредственном его участии. Доля личного участия автора в написании публикаций составляет 60-90%. Основные положения диссертации, выносимые на защиту:
1. Комплексный фитомониторинг показал, что в городе Балашове сформировалась неблагоприятная урбанизированная среда, что обусловлено в той или иной мере повышенным накоплением тяжелых металлов в почве и другими факторами.
2. Состояние техногенной среды в малом городе можно индицировать по динамике морфологических признаков растений (размеров почек, асимметрии листьев, фертильности пыльцы, количеству соцветий, индексу соотношения фенов клевера белого).
3. Степень синантропизации флоры в городе Балашове зависит от , интенсивности антропогенной нагрузки и может быть использована для комплексной оценки состояния окружающей среды малого города.
4. Набольшие нарушения структуры отдельных растений и растительных сообществ в городе Балашове приурочены к деградированным и загрязненным местообитаниям (к обочинам дорог, промышленным зонам, замусоренным участкам, стройплощадкам и др.). Совместное исследование реакции отдельных растений и растительных сообществ повышает надежность фитоиндикации и перспективно для дальнейшей разработки.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 13 статей. Структура и объем работы. Диссертация состоит из 6 глав, основных выводов, списка литературы и приложения. Общий объем работы 255 страниц в компьютерном варианте. Работа включает 25 таблиц и 14 рисунок. В списке литературы 288 источников, в т.ч. 19 - на иностранных языках. Приложение содержит 30 таблиц.
Экологические проблемы малых городов и поселений
К одной из основных экологических проблем относится экологическая безопасность проживания населения в малых городах (Куттугулова, 2005). Все возрастающий антропогенный прессинг на природные экосистемы, проблемы опустынивания огромных территорий, развитие экологического кризиса, т.е. противоречий между экономикой и экологией, Обществом и природой определяет актуальность мер, направленных на решение этой проблемы (Уотсон, 1981; Петров, 1984; Оптимизация ландшафтов..., 2005; Степановских, 2005). В настоящее время взаимодействие общества с природой происходит в таких широких масштабах, что породило в качестве одной из глобальных, общечеловеческих проблем современности так называемую экологическую проблему. Эта проблема связана с ухудшением качества окружающей человека природной среды в результате индустриализации и урбанизации, истощения традиционных энергетических и сырьевых ресурсов, нарушения естественных экологических балансов (внутренних механизмов саморегуляции биосферы), уничтожения многих видов растений и животных, отрицательных генетических последствий загрязнения природы отходами хозяйственной деятельности человека, включая опасность генетического перерождения (Колбасов, Сидоренко, Герасимов, 1980; Реймерс, 1980; 1990). Актуальна реализация научно-исследовательской программы «Экополис» по экологии городов, разработанной сотрудниками МГУ и Биологического центра РАН (Вронский, 1997; Коробкин, Передельский, 2003; Чернова, Былова, 2004). Значительный вклад в общий объем загрязнения окружающей среды вносит автотранспорт (Лозовая, 2000, 2001, 2004; Лозовая, Каверина, 2002; Лозовая, Панков, 2002; Панков, Лозовая, 2003).
Привнесение в окружающую среду физико-химических и биологических веществ, оказывающих вредные воздействия на природные экосистемы и человека, в результате его хозяйственной деятельности, является одной из важнейших проблем современности. Среди множества аспектов, определяющих состояние окружающей среды, важное место занимают проблемы загрязнения атмосферного воздуха. Атмосферные загрязнения оказывают влияние на живые организмы, что приводит к сокращению численности, видового разнообразия животных и растений, заболеваемости человека (Барабошкина и др., 2005).
Проблема загрязнения атмосферы возникла вместе с появлением промышленности, энергетики и транспорта. По словам Никитина Д.П. (1980), их быстрый и повсеместный рост в последние десятилетия привел к такому увеличению объема и токсичности выбросов, которые уже не могут быть «растворены» в атмосфере до безвредных для природной среды и человека концентраций. Как пишут В.А. Большаков, Н.М. Краснова Т.Н. и др. (1993), основные источники антропогенных выбросов вредных веществ в атмосферу сосредоточены в индустриальных странах Северной Америки, Центральной Европы и др.
Под атмосферным загрязнением понимается присутствие в воздухе различных газов, паров, частичек твердых или жидких веществ (включая и радиоактивное), которые неблагоприятно влияют на живые организмы, ухудшают условия их жизни или наносят материальные убытки (Реймерс, 1980).
Основными источниками загрязнения атмосферы служат природные, производственные и бытовые процессы. Загрязнители объединяют в следующие группы:
1) загрязнители естественного происхождения (минеральные, растительные, животные, микробиологические);
2) загрязнители, образующиеся при сжигании топлива для нужд промышленности, отопления жилищ, при работе всех видов транспорта;
3) загрязнители, образующиеся в результате промышленных выбросов;
4) загрязнители, обусловленные сжиганием и переработкой бытовых и промышленных отходов (Воронцов, 1980).
Практически в каждом малом городе основными компонентами, загрязняющими воздушный бассейн, являются вещества, образующиеся при сжигании твердого топлива. Максимальные значения приземных концентраций локализуются вблизи крупных котельных (Куттугулова, 2005). В последние десятилетия наблюдается устойчивая тенденция уменьшения выбросов предприятий в компоненты окружающей среды на фоне роста уровня запыленности и загазованности территорий, обусловленных увеличением плотности транспортного потока (Барабошкина и др., 2005). Наиболее распространенными загрязнителями атмосферы являются: твердые частицы (пыль, дым, сажа), окись углерода (П) (СО), диоксид серы (SO2), окислы азота (NO и N02), летучие углеводороды (СНХ), соединения фосфора, сероводород (H2S), аммиак (NHsX хлор (С1), фтористый водород (HF).
Климат
Климат исследуемой территории континентальный, засушливый, обусловленный удалённостью территории от Атлантического океана и близостью к пустыням Центральной в Средней Азии. На территорию области в связи с отсутствием горных преград, свободно проникают холодные массы воздуха с севера и прогретые с юга, что приводит часто к резким переходам от теплой погоды к холодной или, наоборот, внезапным потеплениям после длительных холодов. Континентальность климата в области возрастает с северо-запада на юго-восток. В этом же направлении увеличивается годовая амплитуда температуры воздуха и уменьшается количество осадков. Так, на западе области - в Балашове амплитуда температуры воздуха составляет 32, в Саратове - до 33,5. На западе и северо-западе области (в районе исследований) годовая сумма осадков превышает 550 мм (Пады - 593 мм, Ртищево - 579 мм), в Саратове - 496 мм. Повсеместно преобладающая часть осадков выпадает в теплый период года - с апреля по ноябрь (Болдырев, 1997). Основные климатические характеристики для Саратовской области и Балашовского района отражены на рис. 2.2,1 (Атлас Саратовской области, 1978).
Зима начинается в первую декаду ноября, сравнительно холодная, преимущественно с пасмурной погодой, нередки оттепели и гололедица. Среднемесячная температура января - 11 С. В отдельные зимы температура может понижаться до - 40, -46С, Количество осадков от 155 до 186 мм. Снег лежит 132-146 дней. Скорость ветра зимой незначительна - до 5 м / с. В первых числах марта начинается спад зимы. Весна начинается в последней декаде марта (с середины марта - до середины мая) сравнительно теплая, однако, заморозки по ночам наблюдаются до конца апреля. Несмотря на положительную температуру воздуха, весной часты заморозки, которые заканчиваются в конце апреля, поздние заморозки зарегистрированы в конце мая - начале июня. В этот период преобладает юго-восточное направление ветра. Осадки выпадают редко, преимущественно в виде дождя, иногда в виде мокрого снега. Лето длится 4,5 месяца (с начала - середины мая - до середины сентября), жаркое и сухое, с температурой от 20 до 27С и максимумом до + 41 С. Средняя температура самого жаркого месяца июля + 21,1 С. Летние осадки составляют до 160 мм и выпадают наиболее часто в виде ливневых дождей в июне - июле. В этот период преобладают суховеи. Северные и северо-западные ветры имеют скорость 4,0 м/с. Осень длится с середины сентября - до ноября. Первая половина осени теплая и сухая, вторая - прохладная, дождливая, с ночными заморозками, начинающимися с конца сентября. Количество осадков за осенний период в среднем составляет 90 мм. В первой декаде ноября повсеместно выпадает снег. Устойчивый снежный покров образуется с 25 ноября (География Саратовской области, 1997). Среднее количество осадков за год составляет 435-500 мм, средняя относительная влажность воздуха - 75-80 %, среднегодовая температура +4,8...6,3С. Число дней с осадками за год достигает 130 дней (табл.2.2.1).
Методы полевых исследований
Расчетная оценка количества выбросов вредных веществ в воздух от автотранспорта проводилась в соответствии с методикой, предложенной СВ. Алексеевым и др. (1996), Федоровой и А.Н. Никольской (2001). Для оценки интенсивности движения транспортного потока были выбраны семь пунктов наблюдения: КПТ (ПП 1), район нового моста (ПП 2), Автовокзал (ПП 3), парк им. Куйбышева (ПП 4) «Козловка» (ПП 5), лес за рекой Хопер (ПП 6), район села «Лесное» (ПП 7). Учет движения автомобильного транспорта проводился в периоды интенсивного роста и развития растений (май - август) с 2001 по 2005 г., в течение дня - с 6 до 22 часов. Движение автотранспорта регистрировалось в течение получаса каждого часа. Классы подвижного состава устанавливались в соответствии с общепринятой классификацией и полученный материал в результате наблюдений анализирован с применением метода математической статистики. Автотранспорт классифицировался по типам: легковой автомобиль, грузовой, автобус и дизельный грузовой автомобиль. Для определения вредных выбросов использовались средние нормы расхода горючего при движении в условиях города (ПП 1-5) и за городом (ПП 6-7). Значение эмпирических коэффициентов, определяющих выброс вредных веществ приведен в табл. 3.2.1. соответствующего компонента (угарный газ, углеводороды, диоксид азота) в литрах при сгорании в двигателе автомобиля количества топлива (в литрах), необходимого для проезда одного километра, то есть равного удельному расходу топлива. В результате определялось общее количество сожженного топлива и рассчитывалось количество выделившихся вредных веществ в литрах по каждому виду топлива и всего - на каждой из пробных площадей. Результаты анализа позволяли судить о степени влияния интенсивности движения автотранспорта на экологическое состояние окружающей среды, в том числе растения в разных районах города, или его рекреационной зоны
В настоящее время в использовании метода биоиндикации при решении экологических проблем накоплен большой положительный опыт. Метод широко применяется для оценки состояния как природных, так и нарушенных, в том числе и техногенных экосистем (Шихова, 1997). В работе рассматривается количественный (биохимический) аспект, а также ответная реакция растений и растительных сообществ на воздействие техногенного характера:
В литературных источниках имеются указания на то, что в условиях техногенного загрязнения среды угнетается репродуктивная способность растений. В связи с этим исследовалась репродуктивная способность у ряда древесных растений, произрастающих при разной степени автотранспортной нагрузки. Исследования проводили по методикам М.С. Зориной и СП. Кабанова (1987). При этом подсчитывалось количество соцветий на модельных ветвях, длиной около двух метров, взятых из средней части кроны. У S. alba/. Vitellinapendula - ивы белой и В. pendula Roth - березы повислой определялась также длина соцветий. Исследования проводились на участках, характеризующихся различной степенью загрязнения воздуха и почвы тяжелыми металлами.
Фитоиндикация состояния окружающей среды по встречаемости фенов Trifolium repens L. Для оценки состояния и уровней загрязнений окружающей среды в результате антропогенных воздействий эффективно применять фенотипические биоиндикаторы. Фены - это набор строго отличающихся друг от друга вариантов какого-либо признака или свойства вида. Набор фенов группы составляет ее фенофонд. Установлено, что под влиянием антропогенных нагрузок возникает изменение фенофонда и появление специфических «городских» фенотипов. Исследователями Кировской области Т.Я. Ашихминой, В.М. Сюткиным и др. успешно проведена апробация методики биодиагностики загрязнений окружающей среды по частотам фенотипов к. ползучего {Trifolium repens L.), по фенам признака «Седой рисунок на пластинках листа», чувствительного к загрязнениям среды. В соответствии с проведенными исследованиями было выделено 11 фенотипов (Ашихмина, 1996).
