Содержание к диссертации
Введение 5
Глава 1. Экологические основы биоиндикации (Обзор литературы) 12
1.1. Биоиндикация, биоиндикаторы, типы биоиндикационных
реакций организмов 12
1.2. Антропогенные факторы, вызывающие стресс у
биологических систем 16
Биоиндикация на различных уровнях организации живой материи 22
Биохимические и физиологические реакции растений на антропогенные стрессоры 24
Воздействие антропогенных стрессоров на морфологическую структуру растений 34
Биоиндикация как средство контроля состояния окружающей среды 41
Глава 2. Материалы и методы исследования 51
2 Л. Характеристика метода «Биотеста» и выбор тест-объектов 55
Реактивы 64
ГТробоотбор, пробоподготовка и анализ почвенных образцов 65
2.4. ГТробоотбор, пробоподготовка и анализ снега 66
2.5. Титриметрическое определение фенольных соединений в
листьях древесных культур 67
Глава 3. Природно-ландшафтная и климатическая характеристика
г. Саратова 69
Природно-ландшафтная характеристика г. Саратова 69
Климатические особенности Саратова 71
Характеристика атмосферного воздуха Саратова 72
Общая характеристика растительного мира г. Саратова 78
Почвенная характеристика города 79
Глава 4. Изучение биоиндикационных свойств древесных культур в
условиях антропогенно загрязненной городской среды 82
4.1. Исследование биоиндикационных свойств древесных культур
на бульваре по улице Большая Садовая (ОАО «Электроисточник») 83
4.2. Исследование биоиндикационных свойств древесных культур
в сквере «Дружба народов» (ОАО «Авиационный завод») 88
4.3. Исследование биоиндикационных свойств древесных культур
на ландшафтно-архитектурном ансамбле «Городок СГУ» 93
4.4. Исследование биоиндикационных свойств древесных культур
в сквере на площади им. СМ. Кирова 98
4.5. Исследование биоиндикационных свойств древесных культур
в сквере Театра «Оперы и Балета» 102
4.6. Исследование биоиндикационных свойств древесных культур
на бульваре по ул. П.Г. Рахова и «Аллея кадетов» 107
4.7. Исследование биоиндикационных свойств древесных культур
в сквере «Театральная площадь» 112
4.8. Исследование биоиндикационных свойств древесных культур
в сквере Торгового Центра «Поволжье» 116
4.9. Исследование биоиндикационных свойств древесных
культур в сквере Дворца Культуры «Саратовстройстекло» 122
Исследование биоиндикационных свойств древесных культур на ландшафтно-архитектурном ансамбле «Набережная Космонавтов» 126
Исследование биоиндикационных свойств древесных культур в парке «Липки» 131
Исследование биоиндикационных свойств древесных
культур на ландшафтно-архитектурном ансамбле лесхоз «Ново-
Бурасский»
Глава 5. Изучение важнейших интегральных физико-химических
характеристик антропогенно загрязненной городской среды 146
5.1. Оценка защитной реакции древесных культур на
неблагоприятные условия городской среды, на основе содержания
фенольных соединений в листьях 146
Оценка состояния воздушного бассейна на территории некоторых ландшафтно-архитектурных ансамблей по физико-химическим характеристикам снега 153
Оценка состояния территорий исследуемых ландшафтно-архитектурных ансамблей по интегральным физико-химическим характеристикам почвенного покрова 160
Выводы 170
Предложения производству 172
Список использованной литературы 173
Приложения 192
Введение к работе
Актуальность темы. Города, как промышленные центры, характеризующиеся высокой концентрацией производства и населения, оказывают постоянно усиливающееся многостороннее воздействие на окружающую среду и здоровье людей. В настоящее время имеется большой арсенал методов для выявления различных неблагоприятных воздействий на состояние окружающей среды. Существующая система контроля качества среды базируется на данных по физико-химическому анализу объектов окружающей среды, по состоянию биоразнообразия, по степени деградации зеленых насаждений. Для проведения оценки качества окружающей среды на всех уровнях применяются различные подходы, но особенно важной является биологическая оценка. Это связано с тем, что именно состояние живых организмов позволяет прогнозировать такие изменения в окружающей среде, которые могут привести к необратимым последствиям. В трудах Центра Экологической Политики России (ЦЭПР) показано, что стабильность развития как способность организма к нормальному развитию является чувствительным индикатором состояния природных популяций и позволяет оценивать суммарную величину антропогенной нагрузки. Наиболее простым и доступным для использования способом оценки стабильности развития является определение величины флуктуирующей асимметрии билатеральных морфологических признаков (ФА).
Учитывая, что экологический каркас любого города образован разными по происхождению, назначению и структуре зелеными насаждениями, перспективной является оценка стабильности развития древесных культур как маркеров состояния окружающей среды.
Актуальность данной тематики связана также с необходимостью быстрой оценки экологического состояния городской среды и принятия срочных решений по ее оздоровлению.
Диссертация выполнена в соответствии с госбюджетными планами НИР
ФГОУ ВПО «Саратовский ГАУ имени Н.И.Вавилова» по теме «Разработка стратегии повышения эффективности биоиндикационных методов оценки состояния урбанизированных территорий».
Цель и задачи исследования. Целью настоящей работы явилось комплексное изучение биоиндикационных свойств древесных культур и прогнозирование качества городской среды.
Для реализации этой цели необходимо было решить следующие задачи:
г- изучить стабильность развития семи древесных культур в условиях различных антропогенных нагрузок на основе расчета флуктуирующей асимметрии листьев,
выявить древесные культуры, наиболее эффективные биоиндикаторы,
исследовать ответную реакцию древесных культур на загрязнения, выражающуюся в накоплении суммы фенольных соединений в листьях,
оценить состояние воздушного бассейна на территориях исследуемых ландшафтно-архитектурных ансамблей по физико-химическим характеристикам снегового покрова,
определить состояние почвенного покрова на территориях исследуемых ансамблей по интегральным физико-химическим характеристикам почв,
установить корреляционные зависимости между нарушением стабильности развития древесных культур и физико-химическими характеристиками объектов окружающей среды,
составить биоиндикационный ряд древесных культур, который может быть использован для прогнозирования качества среды локальных городских биоценозов,
предложить рациональный ассортимент древесных культур для скрининговой оценки экологического состояния городской среды по дре-
весным культурам.
Научная новизна. Впервые проведено комплексное исследование реакции древесных культур на антропогенное воздействие биологическими и физико-химическими методами, проведен сравнительных анализ ответных реакций древесных культур на схожих участках.
Построен биоиндикационный ряд изученных древесных культур по степени чувствительности к городскому антропогенному прессингу;
Выявлены корреляционные связи показателей флуктуирующей асимметрии листьев древесных культур с концентрацией фенольных соединений образующихся в листьях, в качестве защитной реакции;
Установлена четкая аналогия в оценке качества локальных биоце
нозов, проведенная двумя независимыми методами - биологическом, ос
нованном на морфометрическом анализе листьев и химическом, основан
ном на титриметрическом определении суммы фенольных соединений в
листьях древесных культур;
Оценена кислотность и минерализация снежного покрова на изучаемых ландшафтно-архитектурных ансамблях ионометрическим методом;
Выявлена зависимость изменения флуктуирующей асимметрии листьев древесных культур от интегральных физико-химических характеристик почв;
Показана возможность прогнозирования качества почв на основе скрининговой оценки стабильности развития древесных культур;
Установлены древесные культуры, устойчивые к загрязнению, которые могут быть рекомендованы для озеленения антропогенно-депрессионных территорий;
Определен круг древесных растений, чувствительных биоиндикаторов, которые могут быть использованы как маркеры качества городской среды.
Получены новые знания о биоиндикационных свойствах древесных культур, которые могут служить показателями для экспрессной оценки городской среды, а также положены в основу экологического мониторинга на территориях промышленных центров.
Практическая значимость работы. Результаты диссертационного исследования являются вкладом в разработку теоретических и практических основ экологического мониторинга антропогенно-измененной городской среды.
Выявленные закономерности могут быть реализованы в качестве методической основы для скрининговой оценки качества окружающей среды, экспрессного определения патогенных территорий.
Полученные результаты имеют практический интерес для организации ландшафтно-архитектурного дизайна города и построения его экологического каркаса.
Новый методологический подход может быть использован для выбора рационального ассортимента древесных культур при составлении программ озеленения города.
В ходе исследования были получены обширные базы данных, включающие характеристики состояния древесных культур, воздушного бассейна, физико-химических характеристик почвенного покрова исследуемых ланд-шафтно-архитектурных ансамблей, которые представляют интерес для определения масштабов экологического риска от деятельности передвижных и стабильных источников загрязнения.
Результаты исследования переданы в «Комитет охраны окружающей среды и природопользования Саратовской области» для корректировки, улучшения структуры и состояния существующих насаждений древесных культур, а также планирования и создания новых перспективных ландшафт-но-экологических ансамблей.
Материалы диссертации внедрены в учебный процесс: используются
для чтения лекционного курса и проведения практикума по дисциплине «Экологическая химия» для студентов специальностей «Агроэкология», «Защита растений», «Лесное хозяйство», «Садово-парковое и ландшафтное строительство» в ФГОУ ВПО «Саратовский ГАУ имени Н.И. Вавилова», а также при чтении лекций, проведении лабораторных работ и курсового проектирования по дисциплинам «Экология растений», «Экологическая токсикология» для студентов архитектурно-строительного и энергетического, транспортного факультетов СГТУ.
Апробация результатов исследования. Основные результаты диссертационного исследования были доложены и обсуждены на следующих конференциях: Международной научной конференции «Эколого-биологические проблемы бассейна Каспийского моря (Астрахань, 2005, 2006); межвузовской научной конференции студентов, аспирантов, адъюнктов «Экологический кризис. Закон. Человек» (Саратов, 2005); 10-й Пущинской школе-конференции молодых ученых, посвященной 50-летию Пущинского научного центра РАН «Биология - наука XXI века» (Пущино, 2006); VI Всероссийской конференции по анализу объектов окружающей среды «Экоаналитика-2006» (Самара, 2006); III Всероссийской научно-практической конференции «Проблемы экологии и охраны природы. Пути их решения» (Ульяновск, 2006); II Всероссийской научно-технической конференции студентов и аспирантов, секция «Экология», (Екатеринбург, 2006); V Всероссийском научно-методическом семинаре «Модернизация современного образования: к экологической компетентности - через экологическую деятельность» (Санкт-Петербург, 2006); X Докучаевских молодежных чтения «Почвы и техногенез» (Санкт-Петербург, 2007); Научно-практической конференции молодых ученых Приволжского федерального округа «Роль молодых ученых в реализации национального проекта «Развитие АПК» (Саратов, 2007); Международной конференции молодых ученых по фундаментальным наукам «Ломо-носов-2006», секция «Почвоведение» (Москва, 2006), а также «Ломоносов-
2007», секция «Биология» (Москва, 2007); Всероссийской научно-практической конференции «Вавиловские чтения», секция «Биология, Экология» (Саратов, 2005, 2006), I Международной интерактивной научной конференции «Современные аспекты экологии и экологического образования» (Астрахань, 2007), Международной научно-практической конференции «Экология биосистем: проблемы изучения, индикации и прогнозирования» (Астрахань, 2007), ежегодных научных конференциях профессорско-преподавательского состава по итогам научно-исследовательской и учебно-методической работы в СГАУ имени Н.И. Вавилова (Саратов 2004 - 2006). Основные положения, выносимые на защиту:
У" результаты стабильности развития древесных культур в условиях различных антропогенных нагрузок на основе расчета флуктуирующей асимметрии и определения концентрации фенольных соединений в листьях,
биоиндикационный ряд древесных культур - эффективных маркеров экологического состояния городских биоценозов,
количественная оценка интегральных физико-химических характеристик антропогенно-измененных городских почв и снежного покрова,
методология скрининговой оценки качества городской среды по древесным культурам,
предложения к формированию ассортимента древесных культур для создания ландшафтно-экологических ансамблей. Публикации. По теме диссертации опубликовано 17 научных работ, в
том числе 2 статьи в центральном журнале по списку ВАК РФ, 9 статей в сборниках трудов и материалов конференций, 6 тезисов докладов общим объемом 2,78 п.л., авторский вклад 1,94 п.л.
Личный вклад соискателя. Автор принимал личное участие в анализе и критической оценке литературных источников, сборе образцов листьев
древесных культур, почвы и снега с 2004 по 2007 гг., постановке и проведении лабораторных исследований, обработке и анализе полученных экспериментальных данных, апробации и внедрении полученных результатов. Самостоятельно подготовленные автором рукописи диссертации, статей и тезисов докладов были отредактированы научным руководителем. Материалы диссертации изложены в работах опубликованных в соавторстве с научным руководителем и студентами 2-4 курсов, занимающихся НИРС под руководством автора. Доля личного участия автора в подготовке и написании всех публикаций составляет 70-80%.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 5 глав, выводов и предложений производству, списка литературы и приложения. Работа изложена на 191 странице компьютерного текста, иллюстрирована 13 таблицами и 120 рисунками. Список литературы включает 185 источников, в том числе более 50% на иностранных языках.
