Применение фитоиндикации в оценке загрязнения окружающей среды Верхнеуральского муниципального района Челябинской области



Антропогенное давление на окружающую среду возрастает с каждым годом. Охрана окружающей среды и контроль над уровнем ее загрязнения требует привлечения эффективных и недорогостоящих методов изучения природных комплексов. Одним из таких перспективных направлений является фитоиндикация, основанная на изучении оценки экологического состояния окружающей среды посредством реакции растений-индикаторов на антропогенное воздействие. В данной статье приводится оценка степени загрязнения окружающей среды Верхнеуральского района с помощью сосны обыкновенной.

Ключевые слова: биоиндикация, сосна обыкновенная, фитоиндикация, некрозы, хлорозы, дефолиация.

Верхнеуральский муниципальный район специализируется на выращивании сельскохозяйственных культур и, несмотря на то, что крупных промышленных предприятий нет, негативные воздействия на экологическое состояние природы присутствуют. Так, применение ядохимикатов при обработке полей, присутствие автомобильных трасс, может отрицательно сказываться на состоянии растительности. Выявленная проблема определила тему исследовательской работы: «Применение фитоиндикации в оценке загрязнения окружающей среды Верхнеуральского муниципального района».

Целью исследования была оценка степени загрязнения окружающей среды с помощью растения индикатора — сосны обыкновенной. Была выдвинута следующая гипотеза: сосна обыкновенная выступает в роли действенного фитоиндикатора, позволяющего оценить степень влияния антропогенных факторов на лесные насаждения.

В соответствии с целью и выдвинутой гипотезой исследования были поставлены и решены следующие его задачи:

1. Изучить морфологические особенности сосны обыкновенной и выделить их реакции на изменение внешней среды средствами анализа научной литературы по проблеме исследования.
2. Рассмотреть физико-географические характеристики Верхнеуральского района, определить участки исследований, на модельных деревьях сосны обыкновенной получить пробы хвои с 1–3-х летних побегов.
3. Выявить степень выраженности хлорозов и некрозов на хвоинках и дефолиации хвои и сравнить экологическое состояние сосны обыкновенной на двух лесных участках и выявить влияние загрязнения воздуха на показатели хвои модельных деревьев.

Обзор литературы

С глубокой древности античные ученые — Теофраст, Катон и Плиний Старший (III — I век до н. э.) наблюдали чувствительность живых организмов к загрязнению окружающей среды.

М. В. Ломоносов, А. Н. Радищев в своих трудах отмечали, что растения являются указателями особенностей горных пород, подземных вод и почв. Но основоположником биоиндикационного использования растений считают российского ученого А. П. Карпинского, так как именно он применил данный метод для оценки свойств почв и подстилающих горных пород по особенностям развития растений и составу растительного покрова.

Растения являются эффективными объектами экологического мониторинга загрязнения окружающей среды. Согласно определению Мэнинга У. Д. и Федера У. А. (1985) растение-индикатор — это «растение, у которого признаки повреждения появляются при воздействии на него фототоксичной концентрации одного загрязняющего вещества или смеси таких веществ» [1, с. 25]. Кашин В. К., Иванов Г. М. (1998) дают следующую формулировку: «растения являются высокоинформативным индикатором уровня доступных форм химических элементов в окружающей среде и основным источником их для человека и животных. В развитие метода биоиндикации внес существенный вклад и известный ученый — почвовед В. В. Докучаев.

Во время проведения биологического мониторинга необходимо сочетать метод биоиндикации и биотестирования, использовать объекты разных уровней организации. Комплексный подход и систематическое наблюдение определяют перспективы изменения структуры сообществ, продуктивности популяции и устойчивости экосистем по отношению к антропогенным факторам [3]. Живые организмы, способные реагировать на изменения воздействия окружающей среды, являются точными биоиндикаторами.

Биоиндикаторы могут быть прямыми и косвенными. При прямой индикации живой организм реагирует на непосредственное воздействие внешнего фактора. При косвенной индикации реакция живого организма возникает через систему опосредованных взаимосвязанных реакций, напрямую не связанных со стрессовым воздействием.

Биоиндикаторы бывают положительными и отрицательными. Для положительных биоиндикаторов характерно увеличение реакций (количественных характеристик) вследствие нарастания стресса. Биоиндикация может иметь специфический и неспецифический характер. В случае специфической биоиндикации реакция организма является характерной для какого-либо определенного стрессора [2].

Оценку экологического состояния можно осуществлять как в результате наблюдений за отдельными растениями-индикаторами, популяцией определенного вида, так и за состоянием фитоценоза.

На уровне вида определяют специфическую индикацию одного загрязнителя, а на уровне популяций или фитоценоза определяют индикацию общего состояния природной среды [2]. В качестве фитоиндикаторов состояния загрязнения воздушной среды можно использовать ель, сосну и пихту.

Хвоя сосны обыкновенной является живым накопителем аэрогенных загрязнений, так как обладает способностью эффективно поглощать загрязняющие вещества в виде аэрозолей за счет проникновения и осаждения их в полостях и воздушных каналах листовой пластинки. Поглощение может быть как метаболическим, так и пассивным. Небольшая поверхность листа, толстая кожица и малое количество устьиц не может способствовать удалению поглощенных микроэлементов с поверхности листовой пластинки сосны во время транспирации и газообмена с атмосферой. За время продолжительности жизни хвои в ее массе накапливаются характерные для данной местности микроэлементы в количествах, достаточных для аналитического определения.

Сосна обыкновенная, как фитоиндикатор, указывает на присутствие загрязняющих веществ в воздухе морфологическими реакциями — изменение окраски хвои; преждевременное пожелтение хвои — хлороз, отмирание тканей — некроз; преждевременное опадание хвои — дефолиация [6].

Материалы иметоды исследования

Собранные хвоинки были поделены по признакам повреждений, классификация которых представлена на рисунке 1.

Рис. 1. Шкала бонитетных классов повреждений хвои

Некрозы: 1 — пятна отсутствуют, 2 — имеется небольшое количество мелких пятен, 3 — присутствуют во всю ширину хвоинки большое число желтых и черных пятен.

Хлорозы: 1 — отсутствуют сухие участки, 2 — усохший кончик имеет длину в диапазоне 2–3 мм, 3 — усохла больше трети части хвоинки (3–5 мм), 4- практически вся хвоинка желтая.

Хлорозы — это «пожелтения, являющиеся участками, где происходит либо разрушение, либо недостаточное образование хлорофилла в клетках фотосинтезирующей ткани листа» [3, с. 32]. Некрозы — это «участки хвои с омертвевшими участками мезофилла листа» [3, с. 33]. Данные сводились в таблицы, на их основе составляли диаграммы.

Оценка дефолиации проводится путем визуального осмотра побегов в нижней части кроны, где проявляются внешние признаки снижения обычной густоты хвои. Выделяют четыре класса дефолиации, где каждому классу соответственно был установлен определённый процент опадания хвои: 0 — норма (опало менее 10 %); 1 — слабая (12–27 %); 2 — средняя (27–62 %); 3– сильная (более 62 %) [4].

Для проведения работ были выбраны 6 пробных участков: 3 в лесном массиве Карагайского бора, 3 в искусственном лесонасаждении поселка Сухтелинский. Первый участок относится к природной экологической системе, не испытывающий антропогенного влияния, второй участок — располагается на расстоянии 20 м от земельных участков, принадлежащие Петропавловскому зерновому комплексу (подразделение ОАО «Птицефабрика Челябинская»), где ведутся полевые работы с применением ядохимикатов. Были взяты пробы с 60 деревьев сосны обыкновенной (по 10 деревьев на каждом участке). Все сосны имеют приблизительно одинаковый возраст — от 25 до 30 лет. Высота деревьев на всех участках составляла от 5 до 7 метров. Были исследованы годичные приросты за последние 3 года (2017–2019 годы), определены степень дефолиации, а также выраженность на хвое хлорозов и некрозов по бонитентным классам. Для этого с каждого годового прироста изымалась хвоя с середины побега по 4 см [5, 7].

Обсуждение результатов исследования

В результате проведенных исследований, были установлены признаки загрязнения воздушной среды в искусственном лесонасаждении поселка Сухтелинский. Этому свидетельствуют показатели выраженности некрозов, хлорозов и степень дефолиации.

Анализ однолетних побегов показал, что около 88 % хвои не имеет видимых повреждений и усыханий на обоих участков. При этом на участке около поселка Сухтелинский отмечаются незначительный некроз и хлороз (2 класс), что свидетельствует о повышенной степени загрязнения на данном участке.

Двулетние побеги второго участка имеют некрозы 2 класса (40 %), на побегах первого участка существенного изменения доли некрозов не обнаружено. Увеличивается доля хлорозов 2 класса, появляются хлорозы 3 (12 %) и 4 (8,5 %) классов у сосен Сухтелинского лесонасаждения, в Карагайском бору — 2,4 %.

У трехлетних побегов показатель некроза 3 класса в Сухтелинском лесонасаждении — 6 %, а степень хлорозов 3 и 4 класса повышается почти вдвое. В свою очередь, у сосен Карагайского бора хлорозы третьего класса практически не встречаются, а некрозы 3 и 4 класса незначительны.

В ходе исследования также измерялась длина и ширина хвои. Было выяснено, что ширина всех хвоинок одинакова и равняется 2 мм, а длина варьируется от 47 до 84 мм (у сосен на участке Сухтелинского лесонасаждения — (47–62); у сосен на участке Карагайского бора — (64–84)). Отклонение длины хвои от нормы отмечается у сосен Сухтелинского лесонасаждения на протяжении всего срока исследования. Наименьшая длина хвоинок наблюдается на участках, прилегающих к полям и трассе, что объясняется влиянием на сосны антропогенных факторов (климатические факторы не могли оказать влияние как соответствующие показателям наблюдаемой местности).

Полученные данные показывают, что средняя длина побегов у сосен Сухтелинского лесонасаждения показывает слабую динамику (однолетние побеги — 143,7 мм; двулетние побеги 146,4 мм; трехлетние побеги — 149,2 мм), что говорит об угнетении роста деревьев на данном участке. С другой стороны, на исследуемом участке Карагайского бора отмечается интенсивное повышение длины побегов (166,3 мм, 174 мм, 181,9 мм соответственно), что свидетельствует об отсутствии угнетения роста деревьев.

Наибольшая степень опада хвои сосны (32,7 % — 2 класс дефолиации) наблюдается в лесном насаждении поселка Сухтелинский, что связано с накоплением токсичных веществ в полостях и воздушных каналов хвои. Вместе с тем, опадение хвои у сосен на исследуемом участке Карагайского бора незначительно и варьируется от 0,5 % до 5 %, что соответствует 0 классу дефолиации.

Заключение

По результатам проведенных исследований можно сформулировать следующие выводы:

1. Рассмотрение научной литературы позволило установить морфологические особенности сосны обыкновенной и их реакции на изменение окружающей среды. Так хвоя сосны способна накапливать аэрогенные загрязнения. В условиях атмосферного загрязнения наблюдается изменение ее размеров; изменение окраски хвои; преждевременное пожелтение — хлороз хвои, отмирание тканей хвои — некроз; преждевременное опадание хвои — дефолиация;
2. Изучение физико-географических особенностей Верхнеуральского района позволило выделить две территории исследования: первый участок — хвойное лесное насаждение поселка Сухтелинского, подвергающееся антропогенному воздействию; второй — участок Карагайского бора, тесно прилегающий к поселку Карагайский, изолированный от внешнего негативного воздействия. В течение трех лет были взяты побеги модельных деревьях сосны обыкновенной;
3. Для оценки экологического состояния сосны обыкновенной на наблюдаемых участках применялся доступный метод фитоиндикации, позволивший выявить и проанализировать степень выраженности хлорозов и некрозов на хвоинках и дефолиации хвои деревьев исследуемых территорий и сделать вывод о наличии и характере воздействия антропогенных факторов на экологическое состояние участков. Средствами математической статистики были рассчитаны среднеквадратические отклонения показателей длин побегов и хвоинок в течение всего срока проведения исследования.

Заявленный метод фитоиндикации, описанный в данной работе, пригоден для качественной оценки урбанизированной среды. Изучение реакций сосны обыкновенной на загрязнение окружающей среды формирует более наглядную картину его последствия. Таким образом, в процессе решения поставленных задач выдвинутая гипотеза нашла свое полное подтверждение, цель исследования достигнута.

Данная работа имеет практическую значимость, поскольку ее содержание можно использовать в процессе проведения краеведческих кружков, акций экологической направленности. Дальнейшее рассмотрение данной проблемы обусловлено изучением иных групп растений-индикаторов и их возможностей предупреждать увеличение антропогенной нагрузки на ту или иную природную среду.

Литература:

1. Буйволов Ю. А. Методика оценки жизненного состояния леса по сосне / Ю. А. Буйволов, М. В. Кравченко, А. С. Боголюбов — М.: Экосистема, 2001. — 25 с.
2. Криволуцкий Д. А., Степанов A. M. и др. Экологическое нормирование на примере радиоактивного и химического загрязнения экосистем // Методы биоиндикации окружающей среды в районах АЭС. Сборник научных трудов. М., Наука, 1988. С. 4–16.
3. Родзевич H. H. Геоэкология и природопользование. — М.: Дрофа, 2003. -256 с.
4. Степанов А. М. Методология биоиндикации и фонового мониторинга экосистем суши // Экотоксикология и охрана природы. — М., 1988. — С. 28–108.
5. Федорова А. И. Биоиндикация состояния городской среды по реакциям древесных растений / А. И. Федорова // Геоэкологические проблемы устойчивого развития городской среды. Воронеж: Изд-во Квадрат, 1996. — С. 212–213.
6. Чекмарева О. В., Бондаренко Е. В. Комплексная оценка источников выбросов в атмосферный воздух: Методические указания к практическим занятиям. Оренбург: ГОУ ОГУ, 2004. — 34 с.
7. Якушкина Н. И. Физиология растений: учебник для вузов / Н. И. Якушкина, Е. Ю. Бахтенко. — М.: Владос, 2005. — 463 с.