CC BY
113
УДК 574.4:581.5
Вестник СПбГУ. Сер. 7. 2014. Вып. 3
М. Г. Опекунова, Р. А. Башарин
ПРИМЕНЕНИЕ ФЛУКТУИРУЮЩЕЙ АСИММЕТРИИ ЛИСТЬЕВ БЕРЕЗЫ (BETULA PUBESCENS EHRH. ) ДЛЯ ОЦЕНКИ ЗАГРЯЗНЕНИЯ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ В РАЙОНЕ КОСТОМУКШИ
Санкт-Петербургский государственный университет, Российская Федерация, 199034, Санкт-Петербург, Университетская наб., 7/9
В статье представлены результаты исследований флуктуирующей асимметрии (ФА) листьев березы (Betula pubescens Ehrh.), произрастающей на северо-западе РФ в северной тайге на фоновых и антропогенно нарушенных участках в районе Костомукши (Республика Карелия). Показано, что уровень ФА на территории заповедника «Костомукшский» и в г. Костомукша существенно варьируется в зависимости от условий местообитания и комплексного воздействия природных и антропогенных факторов. Четкой связи между показателем стабильности развития березы по флуктуирующей асимметрии и накоплением в листьях тяжелых металлов (Cu, Zn, Ni, Co, Fe, Mn, Pb и Cd) не наблюдается. Показатель ФА возрастает как при ухудшении микроклиматических условий местообитания, так и при увеличении суммарного показателя загрязнения почвы, зольности и суммарного содержания в листьях Fe, Cu, Zn, Pb, Ni и Cr. Делается вывод о том, что метод может быть использован для диагностики техногенной трансформации ландшафтов только в комплексе с определением химического состава почв и биомассы растений. Достоверные результаты экологического мониторинга могут быть получены только при анализе материала, собранного с достаточного количества эталонных площадей (ЭП), отвечающего требованиям математической статистики. Библиогр. 28 назв. Ил. 3. Табл. 3.
Ключевые слова: биоиндикация, флуктуирующая асимметрия, загрязнение, тяжелые металлы.
APPLICATION OF FLUCTUATING ASYMMETRY OF BIRCH LEAVES (BETULA PUBESCENS EHRH.) TO ASSESS THE ENVIRONMENTAL POLLUTION IN THE KOSTOMUKSHA AREA
M. G. Opekunova, R. A. Basharin
St. Petersburg State University, 7/9, Universitetskaya nab., St. Petersburg, 199034, Russian Federation
The results of studying fluctuating asymmetry (FA) in the leaves of Betula pubescens Ehrh., a birch which grows in the North-West of Russia in the northern taiga in the background and anthropogenically disturbed areas near Kostomuksha (Republic of Karelia) are presented in the article. It is shown that the level of FA of birch leaves at the nature strict reserve "Kostomukshskiy" and in Kostomuksha sity varies considerably depending on habitat conditions and complex natural and anthropogenic factors. FA index increases with the deterioration of microclimatic habitat conditions and with increasing the total index of contamination of soil, ash content and the total content of Fe, Cu, Zn, Pb, Ni and Cr in the leaves. It is concluded that the method can be used to diagnose industrial landscapes transformation in conjunction with an analysis of the chemical composition of soil and plant biomass only. Refs 28. Figs 3. Table 3.
Keywords: bioindication, fluctuating asymmetry, pollution, heavy metals.
Введение. В настоящее время для оценки техногенной трансформации ландшафтов широко используются различные методы биоиндикации [1-4]. Среди них большое распространение имеет анализ морфологических параметров живых организмов, в том числе определение величины флуктуирующей асимметрии (ФА) как критерия стабильности развития особи. Исследование симметрии/асимметрии ведется на различных уровнях организации жизни, от молекулярного до популя-ционного. Изучаются различные таксономические группы (растения, насекомые, млекопитающие и др.), рассматриваются как организмы в целом, так и их отдельные органы и структуры (симметрия черепа, мышц, листовой пластинки и т. д.) [5-7]. В 2000 г. В. М. Захаровым с соавторами [8] было подготовлено методическое пособие для оценки состояния природных популяций по стабильности развития. В нем
на примере работ в нескольких особо охраняемых природных территориях (ООПТ) делается вывод о том, что определение ФА является единственно возможным путем для получения объективной информации о реальной экологической ситуации. В 2003 г. Министерство природных ресурсов России (МПР РФ) утвердило и рекомендовало эту методику для использования в заповедниках РФ [9].
Как известно, у растений наиболее чувствительным к негативному воздействию факторов среды является фотосинтетический аппарат. Нарушение хода биохимических процессов и снижение активности фотосинтеза приводит к изменению биологической продуктивности. В результате наблюдается уменьшение запасов биомассы, изменение размеров и формы листьев, увеличение асимметрии листовых пластинок. Исследования ФА можно проводить на любых билатерально симметричных листьях, но в подобных работах, как правило, используют виды родов Betula, Tilia и Populus [8, 10-12].
Считается, что загрязнение окружающей среды тяжелыми металлами (ТМ) является стрессовым фактором и должно увеличивать показатель флуктуирующей асимметрии листовой пластинки [4, 12]. Однако установлено, что не всегда высокий уровень загрязнения сопровождается увеличением уровня ФА морфологических образований как у животных [13], так и у растений [10, 11]. Данный факт связывают с повышением давления стабилизирующего отбора при высоком уровне антропогенной нагрузки, а также развитием фенотипической адаптации. Поэтому целью проведенных исследований стала оценка эффективности применения показателя ФА для диагностики загрязнения ТМ северо-таежных природно-территориальных комплексов (ПТК) Карелии в районе Костомукши. Согласно результатам исследований, проведенных коллективом под руководством В. М. Захарова, в районе Косто-мукшского ГОКа состояние окружающей среды характеризуется как неблагополучное. По мере удаления от предприятия ситуация постепенно нормализуется, и на расстоянии около 30 км, на территории заповедника соответствует норме [8]. В то же время А. А. Зорина и А. В. Коросов [14] указывают на отсутствие достоверных различий значений ФА листьев березы вблизи промышленных предприятий (Сегежский ЦБК, Костомукшский ГОК), в зеленой зоне крупного города (г. Петрозаводск) и на условно чистой территории (Заонежье, с. Сенная Губа). Никаких значимых трендов изменения двух показателей асимметрии (традиционного и нормированного), связанных с широтными особенностями среды или антропогенным прессом, не было выявлено. Неоднозначный характер реакций популяций березы повислой в северовосточном секторе Алтае-Саян отмечают также Булатова и др. [15]. Исходя из имеющихся в литературе противоречивых данных об индикаторной значимости ФА для оценки интенсивности техногенеза, большой интерес представляет комплексное изучение загрязнения почв, содержания ТМ в биомассе и ФА листьев березы, основанное на статистически достоверном материале, собранном в различных ПТК с учетом рекомендаций, сделанных в работе М. В. Козлова [16]. В связи с этим целью проведенных исследований стало определение роли природных и антропогенных факторов в развитии ФА листьев березы в северотаежных ПТК в районе Костомукши.
Объект и методика исследований. Геоэкологические исследования в районе Костомукши проводятся коллективом кафедры геоэкологии и природопользования СПбГУ с 1997 г. Изучаются ПТК фоновых и антропогенно нарушенных участков, определяется содержание ТМ в почвах и растениях, а также биоиндикаторные
признаки техногенной нагрузки [3]. В 2012 г. в комплекс работ было включено изучение ФА листьев березы БеЫ\а рыЬезсет БЬгЬ., произрастающей на территории г. Костомукша и в государственном природном заповеднике (ГПЗ) «Костомукшский».
Главными источниками антропогенного воздействия в районе являются горно-обогатительный комбинат «Карельский окатыш» (Костомукшский комбинат, КГОК), объекты инфраструктуры города и автомобильный и железнодорожный транспорт. ОАО «Карельский окатыш» — горнорудное предприятие, добывающее железную руду и перерабатывающее железистые кварциты в железорудные окатыши. Основными загрязняющими веществами, поступающими в окружающую среду, являются пыль, диоксид серы, оксиды азота, железа, марганца, сажа, продукты сгорания топлива, выбросы от автотранспорта, сварочных постов и др. [17].
Для оценки основных факторов, определяющих экологическое состояние ПТК, а также особенностей распределения и миграции поллютантов применялись методы экологического профилирования и эталонных площадей. На каждой эталонной площади (ЭП) размером 20x25 м дана детальная характеристика ПТК, источников антропогенного воздействия, а также проведен отбор проб почв и листьев березы БеЫ\а рыЬезсет БЬгЬ. на физико-химический и морфометрический анализ. На территории заповедника (полуостров на оз. Каменное, урочище Куйкониеми — Ниль-магуба) было заложено 6 профилей, проходящих вкрест элементам рельефа и включающих 4-5 пикетов. Один профиль проходил вдоль линии контрольно-следовой полосы (КСП) и включал 7 ЭП. Всего в заповеднике было изучено 27 площадок, расположенных в различных ПТК, и одна площадка на контрольно-пропускном пункте (КПП) по трассе г. Костомукша — Кухмо (Финляндия). Территория города была разделена на 20 участков, где проводилось геоэкологическое описание и отбирались объединенные пробы почвогрунтов (далее — почв) и листьев березы. Отбор проб почв и растений на химический анализ осуществлялся методом конверта в соответствии с ГОСТом 17.4.3.01-83 [18].
Листья березы для определения ФА отбирались с одновозрастных особей (около 20 лет), достигших генеративного состояния, из нижней части кроны, с максимального количества доступных ветвей. С каждой площадки была взята средняя проба и промерено 100 сходных, средних по размеру и неповрежденных листьев. Всего было изучено 4800 листьев. Материал упаковывался в бумажные конверты для дальнейшего химического анализа. В сборе материала и измерении морфометриче-ских параметров листьев березы приняли участие студенты 2 курса каф. геоэкологии и природопользования СПбГУУ за что авторы выражают им большую благодарность.
Определение флуктуирующей асимметрии проводилось по 4 парным морфологическим признакам: 1 — ширина листа (на уровне начала третей жилки), 2 — расстояние между основанием жилки первого порядка и началом первого ветвления, 3 — расстояние между началом первого и второго ветвления, 4 — расстояние между основаниями первой и второй жилок первого порядка. Их выбор обусловлен гистоморфологическими особенностями, определенным типом жилкования листовой пластины и простотой измерения. В работе не использовался 5-й критерий — угол между срединной жилкой и первой жилкой первого порядка, поскольку согласно недавним исследованиям он показывает большую стандартную ошибку и не представляет статистической значимости в большинстве случаев [12]. Все измерения производились как вручную, так и с помощью электронного курвиметра, для
оцифровки использовался сканер Panasonic KX-MB2000. Замеры осуществлялись линейкой и электронным курвиметром с инструментальной погрешностью 0,5 мм.
Величина ФА оценивалась с помощью интегрального показателя — величины среднего относительного различия по признакам [19]. Последовательность расчетов включала определение относительной асимметрии по каждому критерию, для каждого листа, по формуле (Л - П)/(Л + П) (Л — левый промер, П — правый промер). Затем вычислялось среднеарифметическое значение по всем критериям для каждого листа. После этого определялся интегральный показатель флуктуирующей асимметрии как среднеарифметическое значение всех критериев по площадке.
Химический анализ проб почв и растений проведен в лаборатории геоэкологического мониторинга СПбГУ В почвах определено содержание подвижных форм тяжелых металлов (ТМ-Cu, Zn, Ni, Co, Fe, Mn, Pb и Cd), извлекаемых ацетатно-аммонийным буфером, в листьях березы — общее содержание ТМ. Анализ проб на содержание ТМ осуществлен на атомно-абсорбционном спектрометре NOVAA 300. Относительная погрешность метода составляет 8-10%, предел обнаружения — 0,05 мг/кг.
Результаты и их обсуждение. Как показал анализ полученных данных, почвы заповедника «Костомукшский» характеризуются низким содержанием подвижных форм большинства ТМ. Так, например, концентрация подвижных форм Pb, Cr и Co в большинстве изученных проб ниже порога обнаружения. Подвижные формы Zn, Cu, Ni и Cd выявлены во всех изученных пробах, однако содержание их невелико и значительно меньше ПДК (табл. 1). Максимальные их концентрации установлены в почвах подчиненных фаций на моренных отложениях. Полученные результаты хорошо согласуются с результатами исследований предыдущих лет [20, 21 и др.]. В органогенных горизонтах наблюдается аккумуляция Fe и Mn, что объясняется их способностью к комплексообразованию с органическими веществами [22, 23]. Кроме того, отмечается значительное накопление соединений этих элементов в иллювиальном горизонте на глеевом барьере. Смена теплового, водного и окислительно-восстановительного режимов, доступа кислорода, слабая минерализация органики, деятельность железобактерий неизбежно ведут к осаждению значительной части подвижных соединений Fe и Mn в транзитных и, особенно, в аккумулятивных ландшафтах. Сходные закономерности прослеживаются и в распределении Cu и Zn.
Многолетние исследования показали, что в районе г. Костомукши и ОАО «Карельский окатыш» наблюдается изменение химического состава компонентов ПТК, загрязнение Fe, Mn, Zn, Cu, Ni, Pb и соединениями серы (рис. 1). Техногенез приводит
Таблица 1. Содержание подвижных форм ТМ в поверхностных горизонтах почв в районе
исследований
Привязка n Cu Zn Mn Fe Pb
Заповедник «Костомукшский» 195 0,2 1,0 36 29 1,1
<0,02 - 0,4 0,2 - 5,4 0,1 - 77 2,1 - 189 < 0,02 - 1,6
Профиль город-КГОК 63 0,1 3,7 32 32 2,1
<0,02 - 0,2 0,4 - 12,5 6,7 - 137 4,3 - 48 1,5 - 9,7
г. Костомукша 98 1,8 11,3 121 78 3,1
0,6 - 6,4 1,3 - 38,6 88 - 155 6,3 - 128 1,2 - 15,9
ПДК 3,0 23,0 60 - 6,0
Рис. 1. Изменение содержания подвижных форм Zn, Бе и Мп (мг/кг) в органогенных горизонтах почв в районе Костомукши
не только к появлению локальных участков загрязнения, приуроченных к промышленным объектам. Здесь начинают формироваться зоны с различной степенью трансформации ПТК, отмечается наложение ореолов загрязнения комбината, воздействия города и трансграничного переноса.
По данным И. С. Гайдыш [24], уровень нарушений для растений в городе соответствует нарушениям в окрестностях комбината. Территория г. Костомукша относится к зоне умеренного загрязнения, ведущая роль в котором принадлежит выбросам автотранспорта. Сильной антропогенной трансформации подвержены центральная и восточная части города.
Концентрация подвижных форм ТМ в городских почвах значительно изменяется (см. табл. 1). Повышенные содержания всех изученных ТМ обнаружены в почвах центральной и северной части г. Костомукша. Концентрация Си, Zn и РЬ превышает ПДК, причем уровень РЬ вблизи перекрестков и крупных автостоянок превосходит норматив в 2,5 раза, что указывает на преимущественное загрязнение от автотранспорта. Содержание подвижных форм Со, N1 и Сё в большинстве проб южной части города ниже чувствительности метода.
Важной биогеохимической характеристикой, отражающей изменение минерального питания растений, является зольность. Средняя ее величина в листьях березы на фоновой территории составляет 4,6%, изменяясь в пределах 3,1-7,6% (см. табл. 2). Значительный размах значений обусловлен естественной ландшафтно-геохимической дифференциацией. Повышенные значения зольности отмечены в листьях берез, произрастающих в наиболее благоприятных условиях минерального питания — в нижних частях склонов моренных холмов. На бедных субстратах, на оли-готрофных болотах и в ПТК на озах отмечается значительное снижение ее величины.
На территории г. Костомукша зольность листьев березы составляет 5,9%, что достоверно выше среднего показателя по заповеднику и указывает на техногенное
Таблица 2. Содержание тяжелых металлов в листьях березы Betula pubescens Ehrh. в районе Костомукши (мг/кг)
Параметр Зольность Fe Cu Zn Ni Mn Cr Pb ФА
Государственный заповедник «Костомукшский», n = 28
х ± А5% min - max 4,6 ± 0,2 3,1 - 7,6 112 ± 9 71 - 277 3,3 ± 0,2 1,5 - 6,9 23 ± 3 6,2 - 68 1,7 ± 0,2 0,8 - 4,4 194 ± 8 115 - 259 0,1 ± 0,1 <0,02 - 0,60 <0,02 0,057 ± 0,002 0,031 - 0,077
V 21,50 51,92 52,07 30,26 54,35 18,98 - - 19,28
Микрорайоны г. Костомукша, n = 20
х± А5% min - max 5,9 ± 0,2 4,8 - 7,2 136 ± 6 98 - 200 4,1 ± 0,2 2,9 - 6 72 ± 4 44 - 118 2,6 ± 0,4 0,05 - 6,7 200 ± 7 144 - 286 0,39 ± 0,21 <0,02 - 1,24 0,5 ± 0,19 0,27 - 1,43 0,114 ± 0,003 0,089 - 0,133
V 12,26 20,15 23,34 27,66 74,95 15,87 119,68 58,86 12,87
Кларк по В. В. Добровольскому (1998) 8 30 2 205 1,8 1,25 -
Примечание: х ± \5% — среднее ± ошибка на 5% уровне значимости, max — максимальное значение, min — минимальное значение, мг/кг, V — коэффициент вариации, %.
загрязнение. Отмечается устойчивое ее увеличение во всех пробах, а минимальное значение возрастает в 1,5 раза с 3,1% до 4,8%. Максимальная зольность обнаружена в пробах листьев березы в северо-западной части города (6,2-7,2%), где отмечается высокое содержание Zn, N1, Сг, Сё и Си.
Содержание большинства ТМ в листьях березы на территории заповедника невелико и не превышает кларк по В. В. Добровольскому [25] (см. табл. 2). Так, например, фоновое количество Си в листьях значительно ниже среднего содержания в растительности суши (8 мг/кг) и изменяется от 1,5 до 6,9 мг/кг. Увеличение ее в пробах на территории заповедника наблюдается в районе старых карельских хуторов Мокровары и Нильмагуба и в северной части полуострова вблизи станции интегрированного мониторинга, организованной на территории бывшей пограничной заставы в ур. Куйкониеми. На территории города аккумуляция ее немного выше и изменяется в пределах 2,9-6,0 мг/кг. При этом содержание Си в листьях березы возрастает в северной части города, что объясняется, прежде всего, загрязнением от автомобильного и железнодорожного транспорта.
В фоновых условиях в большинстве изученных проб листьев березы содержание Сг, Сё, РЬ и Со ниже чувствительности метода. Незначительные концентрации Со на территории заповедника обнаружены только в пробах листьев, отобранных на профиле вдоль линии КСП. Однако уровень его содержания невысок и составляет 0,2-0,4 мг/кг. На территории города максимальные концентрации Со выявлены в северной и северо-восточных районах, но и они не превышают кларк по В. В. Добровольскому [25].
Значимые содержания Сё и Сг в листьях березы в заповеднике наблюдаются на ЭП, расположенных вблизи бывшей погранзаставы и старых карельских хуторов. Здесь же, как отмечалось выше, обнаружено повышенное содержание Си, обусловленное антропогенным загрязнением. В большинстве проб, взятых на территории
г. Костомукша, концентрация Сё и Сг в биомассе ниже порога чувствительности. Из всех изученных микрорайонов выделяется северо-западная часть города, где содержание Сё в листьях березы достигает 0,11-0,19 мг/кг, что превосходит в 3-5 раз кларк по В. В. Добровольскому (0,035 мг/кг). В этих же пробах концентрация Сг составляет 0,11-0,22 мг/кг, что в среднем на порядок ниже средней величины для растительности суши (1,8 мг/кг).
Во всех городских пробах обнаружено накопление РЬ, однако среднее содержание его невелико и лишь максимальное значение (1,43 мг/кг) незначительно превышает кларк по В. В. Добровольскому (табл. 2).
Обращает на себя внимание существенное увеличение концентрации Zn в листьях березы по мере нарастания антропогенной нагрузки. Среднее его значение в фоновых условиях на территории заповедника составляет 23 мг/кг и изменяется в зависимости от местообитания от 6 мг/кг до 33 мг/кг. На бывшей погранзаставе в ур. Куйкониеми и вдоль линии КСП оно возрастает до 59-68 мг/кг, превосходя кларк по В. В. Добровольскому в 2 раза. На территории г. Костомукша среднее содержание Zn в листьях березы в 3 раза выше фоновой величины, а максимальное значение превосходит ее в 5 раз. Наиболее загрязненными являются пробы, отобранные в северной части города, где основным источником загрязнения служит автомобильный и железнодорожный транспорт.
Вместе с тем, необходимо отметить, что уровень аккумуляции Fe, Мп и N1, металлов, типоморфных для железистых руд района, во всех изученных образцах достаточно высок (табл. 2). Так, например, средняя концентрация Fe в листьях березы на территории заповедника, принятая за фоновое значение, равна 112 мг/кг. На территории г. Костомукша она возрастает до 136 мг/кг. При этом максимальное его количество (до 200 мг/кг) отмечено в северной и восточной частях города, испытывающих наибольшее воздействие со стороны КГОКа.
Содержание Мп в листьях березы довольно стабильно и незначительно меняется в зависимости от местообитания и удаленности от источника загрязнения. Средние его показатели на территории заповедника и в городских кварталах близки между собой и характеризуются низкой вариабельностью, значения коэффициентов вариации не превышают 20% (см. табл. 2). В условиях ООПТ незначительное повышение содержания Мп отмечается вдоль КСП и в северной части полуострова. На территории города при возрастании стрессовых условий, наоборот, наблюдается снижение его содержания в листьях березы, что хорошо согласуется с известным антагонизмом аккумуляции Мп с Си, Zn и др. [26].
Средняя концентрация N1 в листьях березы на территории заповедника составляет 1,7 мг/кг и близка к кларку по В. В. Добровольскому (2 мг/кг). При этом увеличение его содержания до 4,4 мг/кг отмечается вблизи бывшей погранзаставы и старых карельских хуторов в урочищах Куйкониеми и Нильмагуба. В условиях техногенного загрязнения на территории города средний уровень N1 в листьях увеличивается до 2,6 мг/кг. Максимальное накопление его на территории города отмечается в северной части, наиболее подверженной воздействию со стороны комбината, и достигает 6,7 мг/кг.
Определение ФА как показателя стабильности развития листьев березы свидетельствует, что на территории заповедника ее значения существенно изменяются в зависимости от условий местообитания от 0,033-0,077 (рис. 2). Средняя ее вели-
| 10,089-0,100 0,100-0,111 0.111-0.122 0,122-0,133
Рис. 2. Изменение показателя ФА листьев березы на территории г. Костомукша
чина составляет 0,057, что соответствует 5 баллу по шкале В. М. Захарова и др. [8] и характеризует критическое состояние листьев. Анализ полученных данных показывает, что из 28 изученных ЭП первому баллу (условная норма) соответствует только проба с одной ЭП, расположенной в среднетаежном ПТК в выположенной верхней части моренного холма на значительном удалении от оз. Каменного в глубине лесного массива. Начальный уровень отклонений (балл 2) также зарегистрирован лишь на одной ЭП (табл. 3, рис. 3). Она находится в нижней части южного склона оза на высокой озерной террасе оз. Каменное в урочище Нильмагуба, где наблюдаются наиболее благоприятные микроклиматические и эдафические условия.
В северотаежных ПТК на склонах моренных холмов в смешанных древостоях береза характеризуется средним и существенным уровнем отклонений стабильности развития листьев от нормы (баллы 3 и 4). Критическое отклонение стабильности их развития от нормы наблюдается на большинстве изученных площадей, в том числе вдоль линии КСП и в северной части полуострова в районе станции интегрированного мониторинга на территории бывшей пограничной заставы в ур. Куйкониеми. В этих ПТК, как указывалось ранее, отмечаются наибольшее антропогенное нарушение и увеличение концентрации Zn, Сё, Со и Сг в почвах и растениях.
Таблица 3. Распределение количества ЭП по баллам стабильности развития листьев березы БеШ1а рнЬгвсгив Ehrh. на территории заповедника
«Костомукшский»
Балл Значение ФА Состояние/уровень отклонений стабильности развития от нормы Количество /% ЭП
1 <0,040 условная норма 1/3,5%
2 0,040-0,044 начальный уровень 1/3,5%
3 0,045-0,049 средний уровень 6/21,5%
4 0,050-0,054 существенное отклонение 4/14,3%
5 >0,054 критическое отклонение 16/57,2%
ГПЗ "Костомукшский" г. Костомукша
Номер эталонной площади
Рис. 3. Изменение показателя ФА листьев березы на территории ГПЗ «Костомукшский» и г. Костомукша: отклонение, критическое отклонение, уровень условной нормы ФА, критический уровень отклонений ФА от нормы
I I Условная норма Начальный уровень отклонения I I Средний уровень отклонения
]] Существенное отклонение Критическое отклонение
----Уровень условной нормы ФА -Критический уровень отклонений ФА от нормы
Однозначного вывода о влиянии Fe на показатель ФА листьев березы сделать нельзя. Как показали результаты проведенных исследований, увеличение его содержания в листьях по профилю вдоль КСП сопровождается увеличением ФА. В то же время на юге изученной территории в районе Нильмагубы наблюдается относительно низкое значение показателя ФА при высоком содержании металла в биомассе и почвах. На севере полуострова в урочище Куйкониеми, а также в западной части полуострова вблизи оз. Каменное содержание Fe в почвах и листьях близко к фоновым значениям, но показатель ФА изменяется от среднего до критического уровня.
Интересно отметить, что в пределах заповедника невысокая корреляционная связь ФА и содержания Мп в листьях березы имеет положительное значение, а на
территории города она сменяется на отрицательную. Установленный факт хорошо согласуется с отмеченным выше антагонизмом накопления Мп с другими ТМ в условиях антропогенного загрязнения. Однако низкие значения коэффициентов корреляции указывают на многофакторность воздействия и поливариантность формирования морфологических параметров.
Таким образом, на территории ГПЗ «Костомукшский» достоверно значимой корреляции между ФА и содержанием ТМ в листьях березы и в почвах не обнаружено. Определяющую роль в формировании морфологических признаков листьев березы играют микроклиматические условия — температурный и ветровой режимы, а также освещенность местообитания. Снижение стабильности развития листьев происходит, главным образом, на барьере лесной массив — открытое пространство (берег озера или вырубка на селитебной территории и КСП).
На всей территории г. Костомукша отмечается критическое отклонение стабильности развития березы от нормы. Значение ФА листьев изменяется от 0,089 до 0,133, при этом средняя величина в 2 раза превышает фоновый уровень и достигает 0,114. Пространственный анализ ее изменения показал, что ФА увеличивается от периферии к центру города, свидетельствуя об ухудшении условий местообитания в целом. Как отмечалось выше, в центре города наблюдается повышенное содержание ТМ в почвах и листьях березы. Однако максимальное их количество характерно для северной части города.
Как известно, содержание ТМ в листьях деревьев служит индикатором состояния атмосферного воздуха [27, 28, 3]. Основной причиной увеличения содержания ТМ в компонентах ПТК на изученной территории, как было показано выше, являются автотранспорт и КГОК. В ГПЗ «Костомукшский» и г. Костомукша наблюдается увеличение показателя ФА листьев совместно с возрастанием их зольности и суммарного содержания Fe, Си, Zn, N1, Сг и РЬ, типичных для техногенного загрязнения. Коэффициент корреляции (г) уровня ФА листьев березы с этими показателями достаточно высок и равен соответственно 0,061 и 0,060. Вместе с тем, достоверной связи ее изменения с концентрацией какого-либо металла в отдельности не наблюдается, значения г < 0,3-0,4. Несомненно, изменение содержания ТМ в листьях оказывает влияние на показатель ФА, но выявить достоверно степень их воздействия не удается в связи с комплексным влиянием природных и антропогенных факторов.
Полученные результаты хорошо согласуются с опубликованными литературными данными и подтверждают вывод, сделанный А. А. Зориной и А. В. Коросовым [14] об одинаковом уровне изменения значения ФА листьев березы под влиянием как техногенных, так и природных факторов. Одним из определяющих факторов стабильности развития листьев березы в северотаежных ПТК являются микроклиматические и погодные условия. Абсолютные значения показателя ФА существенно меняются в разные годы. Поздняя весна, а также прохладное и дождливое лето негативно влияют на формирование листового аппарата березы, способствуя увеличению их асимметрии.
Использование предлагаемой шкалы [8] для оценки собственно техногенной трансформации ПТК ограничено, поскольку уровень ФА отражает, главным образом, стабильность развития особи в конкретный момент (вегетационный период) в конкретном местообитании. Для выделения техногенной составляющей в изменении морфологических характеристик необходимо, с одной стороны, проведение их
сопряженного анализа с содержанием загрязняющих веществ в биоматериале и почвах. С другой стороны, анализ должен опираться на статистически достоверный материал, позволяющий исключить влияние индивидуальных особенностей и физико-географических условий на изменение параметров роста и развития организмов. Кроме того, необходимо учитывать, что численные значения ФА сильно отличаются по годам в связи с различием погодных условий.
На основе геоэкологических и биоиндикационных исследований, проведенных на территории ГПЗ «Костомукшский» и г. Костомукша, можно сделать следующие выводы:
1. Содержание подвижных форм ТМ в почвах фоновых ПТК на территории ГПЗ «Костомукшский» невелико и значительно ниже ПДК. Исключение составляют Fe и Мп, уровень концентрации которых повышен, что отражает общие ландшафтно-геохимические условия региона.
2. Основными источниками загрязнения территории г. Костомукша являются Костомукшский комбинат Мп, N1 и др.) и автомобильный и железнодорожный транспорт (РЬ, Zn, Си, Сё и др.). Отмечается наложение ореолов загрязнения комбината, воздействия города и трансграничного переноса. Концентрация подвижных форм Си, Zn и РЬ в городских почвах превышает ПДК, причем уровень РЬ вблизи перекрестков и крупных автостоянок превосходит норматив в 2,5 раза, что указывает на преимущественное загрязнение от автотранспорта.
3. Содержание большинства ТМ в листьях березы Betula pubescens БЬгЬ. на территории заповедника невелико и не превышает кларк по В. В. Добровольскому. Исключение составляет повышенное содержание Fe, Мп и N1, металлов, типоморфных для железистых руд района. В условиях техногенного загрязнения на территории города наблюдается увеличение аккумуляции всех ТМ. Максимальное их количество отмечено в центральной и северной частях города, испытывающих наибольшее воздействие со стороны КГОКа и транспорта.
4. Уровень ФА листьев березы на территории ГПЗ «Костомукшский» существенно изменяется в зависимости от особенностей местообитания. Условная норма и начальный уровень отклонений стабильности развития листьев березы отмечается на единичных ЭП. На большинстве изученных площадей наблюдается критическое отклонение стабильности развития от нормы, обусловленное неблагоприятными физико-географическими условиями северной тайги.
5. Значение показателя ФА листьев березы в г. Костомукша увеличивается в 2 раза по сравнению с контрольными участками в ГПЗ «Костомукшский», что связано с комплексным негативным действием природных и антропогенных факторов. Четкой связи между показателем ФА и содержанием в листьях ТМ не наблюдается (г = 0,0-0,3). Показатель ФА листьев березы возрастает при увеличении суммарного показателя загрязнения почвы (г = 0,6), а также зольности и суммарного содержания в листьях Fe, Си, Zn, РЬ, N1 и Сг (г = 0,6).
6. Метод оценки стабильности развития по флуктуирующей асимметрии может быть использован как индикаторный признак для диагностики техногенной трансформации ландшафтов только в комплексе с определением химического состава почв и биомассы. Достоверные результаты экологического мониторинга могут быть получены при анализе материала, собранного с достаточного количества ЭП, отвечающего требованиям математической статистики.
Литература
1. Биоиндикация загрязнений наземных экосистем / под. ред. Р. Шуберта. М., 1988. 350 с.
2. Опекунова М. Г. Биоиндикация загрязнений. СПб.: Изд-во СПбГУ, 2004. 266 с.
3. Опекунова М. Г. Диагностика техногенной трансформации ландшафтов на основе биоиндикации: автореф. дис. ... д-ра геогр. наук. СПб., 2013. 36 с.
4. Неверова О. А. Применение фитоиндикации в оценке загрязнения окружающей среды // Биосфера. 2009. Т. 1, № 1. С. 82-92.
5. Кряжева H. Г., Чистякова Е. K., Захаров B. M. Анализ стабильности развития березы повислой в условиях химического загрязнения // Экология. 1996. № 6. С. 441-444.
6. Гелашвили Д. Б., Чупрунов Е. В., Иудин Д. И. Структурные и биоиндикационные аспекты флуктуирующей асимметрии билатерально-симметричных организмов // Журн. общ. биологии. 2004. Т. 65, № 5. C. 433-441.
7. Балашкевич Ю. А. Изменение флуктуирующей асимметрии листьев березы повислой на неиспользуемых сельскохозяйственных землях // Нива Поволжья. 2010. № 1 (14) С. 14-18.
8. Захаров B. M., Чубинишвили А. Т., Дмитриев С. Г., Баранов А. С. Здоровье среды: Практика оценки. М.: Центр экологической политики России, 2000. 320 с.
9. Методические рекомендации по выполнению оценки качества среды по состоянию живых существ (оценка стабильности развития живых организмов по уровню асимметрии морфологических структур) // Распоряжение Росэкология от 16.10.2003. № 460. М.: Наука, 2003. 24 с.
10. Ambo-Rappe R., Lajus D. L., Schreider M. J. Translational fluctuating asymmetry and leaf dimension in seagrass, Zostera capricorni aschers in a gradient of heavy metals // Environmental Bioindicators. 2007. Vol. 22. P. 99-116.
11. Ерофеева Е. А., Сухов B. C., Наумова M. M. Двухфазная зависимость некоторых эколого-морфо-логических и биохимических параметров листовой пластинки березы повислой от уровня автотранспортного загрязнения // Поволжский экологический журнал. 2009. № 4. C. 50-57.
12. Баранов С. Г. Изучение признаков для оценки флуктуирующей асимметрии листовой пластины липы мелколистной (Tilia cordata Mill.) Южной части Московской области // Фундаментальные медико-биологические науки и практическое здравоохранение. Томск: СибГМУ 2010. С. 43-46.
13. Вершинин В. Л., Гилeвa Э. А., Глoтoв H. В. Флуктуирующая асимметрия мерных признаков у остромордой лягушки: методические аспекты // Экология. 2007. № 1. C. 75-77.
14. Зорина А. А., Коросов А. В. Характеристика флуктуирующей асимметрии листа двух видов берез в Карелии // Экология. Экспериментальная генетика и физиология. Труды Карельского научного центра РАН. Петрозаводск, 2007. Вып. 11. С. 28-36.
15. Булатова Е. С., Бабина С. Г., Онищенко С. С., Ильяшенко В. Б., Сонникова А. Е. Оценка состояния популяции березы повислой (Betula pendula) в ООПТ Юга Сибири // Из. Самарского научного центра Российской академии наук. 2009. Т. 11, №1(3) (27). С. 363-368.
16. Козлов М. В. Стабильность развития: мнимая простота методики (о методическом руководстве «Здоровье среды: методика оценки») // Заповедники и национальные парки. М., 2001. № 36. С. 23-25.
17. Материалы к Государственному докладу о состоянии окружающей природной среды Республики Карелия в 2011 году. [Электрон. ресурс] режим доступа: http://www.gov.karelia.ru/ (дата обращения: 19.03.2013).
18. ГОСТ 17.4.3.01-83. Охрана природы. Почвы. Общие требования к отбору проб. 4 с.
19. Мелехова О. П., Егорова Е. И., Евсеева Т. И. Биоиндикация окружающей среды // Биологический контроль окружающей среды: биоиндикация. М.: Академия, 2007. 288 с.
20. Опекунова М. Г., Арестова И. Ю. Биоиндикаторы аэротехногенного загрязнения города Косто-мукша // Материалы международной научно-практической конференции «Экология фундаментальная и прикладная», Екатеринбург, 3-4 февраля 2005 г. Екатеринбург, 2005. С. 250-253.
21. Опекунова М. Г., Елсукова Е. Ю., Арестова И. Ю. Биоиндикация загрязнения природной среды предприятиями горнорудного производства // Труды XII съезда РГО (Кронштадт, 2005). СПб., 2005. Т. 4. С. 222-231.
22. Водяницкий Ю. Н. Загрязнение почв тяжелыми металлами и металлоидами и их экологическая опасность (аналитический обзор) // Почвоведение. 2013. № 7. С. 872-881.
23. Водяницкий Ю. Н., Васильев А. А., Савичев А. Т., Чащин А. Н. Влияние техногенных и природных факторов на содержание тяжелых металлов в почвах Среднего Предуралья (г. Чусовой и его окрестности) // Почвоведение. 2010. № 9. С. 1089-1099.
24. Гайдыш И. С. Биоиндикация природной среды малого северо-таежного промышленного города: на примере г. Костомукша: автореф. дис. ... канд. биол. наук. Петрозаводск, 2012. 23 с.
25. Добровольский В. В. Основы биогеохимии. М.: Высш. школа, 1998. 413 с.
26. Кабата-Пендиас А., Пендиас Х. Микроэлементы в почвах и растениях: пер. с англ. М.: Мир, 1989. 439 с.
27. Кошелева Н. Е., Макарова М. Г., Новикова О. В. Тяжелые металлы в листьях древесных пород городских ландшафтов // Вестн. Московского ун-та. Серия 5: География. 2005. № 3. С. 74-81.
28. Эколого-геохимическая оценка состояния древесной растительности в г. Улан-Батор (Монголия) / Касимов Н. С., Кошелева Н. Е., Сорокина О. И., Бажа С. Н., Гунин П. Д., Энх-Амгалан С. // Аридные экосистемы. 2011. Т. 17. № 4. С. 5.
Статья поступила в редакцию 1 апреля 2014 г.
Контактная информация
Опекунова Марина Германовна — доктор географических наук, доцент; m.opekunova@mail.ru Башарин Роман Александрович — магистрант; hellekrb@yandex.ru
Opekunova M. G. — Doctor of Geological Sciences, Associate Professor; m.opekunova@mail.ru Basharin R. A. — master student; hellekrb@yandex.ru
