Характеристика функциональной активности фотосинтетического аппарата древесных. Растений в условиях загрязнения городской среды Текст научной статьи по специальности «Сельское хозяйство, лесное хозяйство, рыбное хозяйство»

УДК 628. 395

ХАРАКТЕРИСТИКА ФУНКЦИОНАЛЬНОЙ АКТИВНОСТИ ФОТОСИНТЕТИЧЕСКОГО АППАРАТА ДРЕВЕСНЫХ РАСТЕНИЙ В УСЛОВИЯХ ЗАГРЯЗНЕНИЯ ГОРОДСКОЙ СРЕДЫ

© 2003 г. О.А. Неверова, Е.Ю. Колмогорова

Для крупных промышленных городов характерен высокий уровень техногенной нагрузки на все элементы окружающей природной среды: атмосферный воздух, почву, воду. В г. Кемерово сосредоточены предприятия химической, углехимической промышленности, энергетики и автотранспорта, которые определяют особенности формирования состава и уровней загрязнения окружающей среды.

Среди вредных веществ приоритетного ряда «суммарной условной токсичности», определяющих загрязнение атмосферного воздуха города, зола -32,86 %, от общей суммарной токсичности, диоксид азота - 32,27, диоксид серы - 19,1, свинец - 7,16, окись азота - 2,34, аммиак - 0,86 %. За последние 10 лет прослеживается тенденция увеличения процента проб выше ПДК по саже, диоксиду азота [1].

В связи с вышесказанным актуальной является экологическая оценка загрязнения атмосферного воздуха и состояния зеленых насаждений города. Установлено, что подавляющее большинство промышленных газов опасно для растительности [2 - 8]. В последние годы сформирован новый методологический подход в экологических исследованиях, основанный на использовании традиционных методов классических наук (анатомии, физиологии, биохимии растений и др.), которые часто более чувствительны и точны (на 2-5 порядков), а потому и более эффективны. Для использования методов фитоиндикации на практике они должны быть не только информативными, но и отличаться простотой исполнения.

Самый чувствительный индикатор состояния растений - фотосинтетический аппарат [8 - 11]. Величина и степень его развития являются одними из основных параметров, от которых зависит количество органического вещества, производимого растениями. Известно, что продукционный процесс в растении часто лимитируется фотосинтетическим обеспечением ростового процесса, причиной чего может являться и техногенное загрязнение природной среды. Таким образом, функциональная активность фотосинтетического аппарата может служить в качестве индикатора состояния среды, а также диагностическим признаком состояния растений.

Цель данной работы - исследование функциональной активности фотосинтетического аппарата древесных растений в различных экологических условиях г. Кемерово; рассмотрение возможности индикации качества городской среды по состоянию древесных растений.

Экологическая характеристика района исследований

На территории Кемерово выделяют 5 административных районов, характеризующихся различной кон-

центрацией промышленных производств и соответственно неодинаковой степенью загрязнения. Три района города (Ленинский, Центральный, Заводский) располагаются на левобережной части р. Томи, два (Кировский и Рудничный) - на правобережной части.

На территории Ленинского района (5=1546 га) находятся комбинат шелковых тканей, п/о «Химволок-но», «Химмаш», КЗЭМИ, предприятия пищевой промышленности. Площадь Центрального района составляет 1790 га, и на его территории располагаются КЭМЗ (электромеханический завод), ЭТЗ (электротехнический завод). Заводский район имеет площадь 8419 га и характеризуется высокой концентрацией химических производств: п/о «Азот», п/о «Химпром», КХЗ (коксо-химзавод), НПО «Карболит», механический завод, Новокемеровская ТЭЦ. Площадь Рудничного района составляет 12146 га и его территория является зоной влияния выбросов п/о «Кокс». В Кировском районе, площадь которого составляет 2192 га, находятся п/о «Прогресс», завод «Коммунар», АКЗ (анилинокрасочный завод), «Строммашина», п/о «Полимер».

Территория Заводского района характеризуется высокой концентрацией химических производств и высокой степенью загрязнения атмосферного воздуха, однако с преобладающими юго-западными ветрами атмосферные загрязнители переносятся на территории правобережной части города, имеющих и без того высокую техногенную нагрузку.

Максимальным загрязнением атмосферного воздуха по среднегодовым концентрациям характеризуется территория Кировского района, где в 1999 г. отмечено наибольшее загрязнение формальдегидом (3,6 ПДК), аммиаком (2,13 ПДК), сажей (1,69 ПДК), сероуглеродом (1,4 ПДК), диоксидом азота (1,29 ПДК), бенз(а)пиреном (3,1 ПДК) [12].

По содержанию среднегодовых концентраций, рассчитанных по 11 загрязняющим веществам, присутствующим в атмосфере (диоксид азота + диоксид серы + аммиак + фенол + сероуглерод + сероводород + серная кислота + формальдегид + оксид углерода + сажа + взвешенные вещества), районы города можно расположить следующим образом: Кировский (3,5 мг/м3) > Заводский (2,64 мг/м3) > Рудничный (2,36 мг/м3) Центральный (2,14 мг/м3) > Ленинский (1,83 мг/м3).

Материалы и методы исследований

Исследования проводились в вегетационный период (июнь - август) 2000,2001 гг. Пробные площади были выбраны на территории 5 вышеназванных районов города, различающихся уровнем атмосферного загрязнения химическими веществами. Объектами исследования служили лиственные древесные поро-

ды: береза повислая (betula pendula Roth.), липа мелколистная (tilia cordata Mill.), рябина сибирская (sor-bus sibirica Hedl.), сирень обыкновенная (syringa josi-kaea Jacg. Fil.), широко представленные в озеленении города Кемерово. Исследовались посадки скверов. Модельные деревья (5-10 шт. с территории каждого района) подбирались примерно одного возраста (30-50 лет), растущие в относительно равных условиях освещенности. В загородной зоне (30 км от городской черты) для сравнения служили отдельные деревья на опушках. Ветви с листьями с модельных деревьев срезали секатором на шесте (6-8 м) с южной стороны из середины кроны дерева. Для исследования отбирались листья без видимых признаков повреждения.

Изучение интенсивности фотосинтеза проводилось бескамерйым способом, который отличается простотой исполнения и информативностью [13]. Используемый метод основан на определении относительного изменения в удельном содержании восстановленных веществ за единицу времени в навеске растительного материала, которая подвергается кислотному озолению в хромовой смеси после четырехчасовой экспозиции на свету (25-30 тыс. люкс). Уровень восстановленных ассимилятов в листьях исследуемых растений измеряли в июне, июле и августе.

Математическая обработка материала проведена с помощью статистического пакета Statistica 5.5 для IBM совместимых компьютеров. Для расчета корреляции между интенсивностью фотосинтеза у растений и уровнями загрязнения атмосферного воздуха различных районов города использовали среднегодовые концентрации вредных веществ в атмосфере, рассчитанные по 11 веществам (диоксид азота + диоксид серы + аммиак + фенол + сероуглерод + сероводород + серная кислота + формальдегид + оксид углерода + сажа + взвешенные вещества) [1].

Результаты и их обсуждение

Результаты экспериментов показывают, что у исследуемых видов древесных растений наиболее эффективная работа фотосинтетического аппарата отмечается в разные сроки наблюдений: максимальное накопление восстановленных ассимилятов за единицу времени у березы повислой отмечено в июне, у рябины сибирской, липы мелколистной и сирени обыкновенной - в июле как на фоновых (контрольных) участках, так и в городских условиях. Это можно объяснить тем, что у березы по сравнению с другими исследуемыми видами древесных растений раньше развивается фотосинтетический аппарат - начало появления зеленого конуса, окраски и увеличение площади листьев наступает на 20-25 дней раньше. К концу вегетации (в августе) у всех исследуемых видов древесных растений отмечается снижение фотосинтети-ческой способности листьев - наблюдается замедление процесса синтеза углеводов.

В городской среде наблюдается снижение интенсивности фотосинтеза у всех анализируемых древес-

ных пород в исследуемые сроки наблюдений. Однако максимальное снижение данного показателя отмечается у деревьев Заводского, Кировского и Рудничного районов (табл.1, 2), причем у разных видов древесных растений в разные сроки. Так, у березы и сирени максимальное снижение интенсивности фотосинтеза отмечено в августе: у березы Центрального, Заводского, Рудничного и Кировского района - на 59,8; 32,8; 73,8 и 87 %, у сирени — на 48,2; 85,5; 74,7 и 83,13 % соответственно (табл. 2).

Таблица 1

Изменение интенсивности фотосинтеза в листьях березы повислой в условиях г. Кемерово (данные 2000 г.)

Район Месяц

Июнь Июль Август

Интенсивность фотосинтеза, мг.ч~1 г-1

Контроль 32,5±0,3 20,7±0,1 10,7+0,2

Ленинский 30,5±1,8 19,4+0,7 11,7+0,1

Центральный 25,1±1,5* 11,2+0,6* 4,3±0,3*

Заводский 25,0±0,2* 12,б±0,8 7,2±0,3*

Рудничный 22,4±1,7* 15,3+0,9* 2,8±0,3*

Кировский 20,0±0,9* . 11,7+1,0* 1,4±0,2*

*— отмечены достоверные отличия от контроля при В = 0,95

У липы мелколистной и рябины сибирской максимальное снижение интенсивности фотосинтеза отмечается в июне. У липы мелколистной Заводского и Кировского районов города в данный период наблюдений интенсивность фотосинтеза снижается на 57,1 и 74,3 % соответственно; у рябины сибирской данная величина снижается на 42,5; 58 и 61,3 % в Заводском, Рудничном и Кировском районах соответственно (табл. 2).

Таким образом, минимальные отличия в интенсивности фотосинтеза у растений городской среды в сравнении с контрольными отмечаются в Ленинском районе, а максимальные - в Кировском и Рудничном. Выявлена достоверная отрицательная корреляционная связь между атмосферным загрязнением районов города и уровнями восстановленных ассимилятов в листьях древесных растений: в июне - у листьев березы (г = -0,82; г--2,5; У = 3; р < 0,1), сирени (г = -0,9; I = -3,6; V = 3; р< 0,05); в июле - у листьев рябины (г = - 0,85; I = -2,8; V = 3; р< 0,1); в августе - у листьев сирени (г = - 0,87; I = - 3,1; V = 3; р < 0,1) (табл. 3). Расчеты корреляционной связи между указанными выше параметрами у липы мелколистной не проводились, так как она произрастает не во всех районах города.

Результаты проведенной работы позволяют заключить, что используемый нами метод определения относительного изменения в удельном содержании восстановленных веществ за единицу времени может использоваться для характеристики фотосинтетиче-ской способности древесных растений в различных экологических условиях города и служить в качестве индикатора суммарного загрязнения атмосферного воздуха.

Таблица 2

Интенсивность фотосинтеза листьев (2001 г.)

Район Месяц

Июнь Июль Август

Интенсивность фотосинтеза, мг.ч 1 г'1

Липа мелколистная

Контроль 18,55+1,4 28,93±1,6 5,18Ю,22

Ленинский 18,8011,8 19,40+0,7* 4,7610,1

Центральный 13,87+1,2* 20,32±1,6* 4,3110,3*

Заводский 7,96+0,3* 19,51±0,8* 3,22+0,3*

Рудничный Посадки отсутствуют

Кировский 4,76±0,2* 19,98+1,4* 2,4110,2*

Рябина сибирская

Контроль 16,23±1,2 31,85±1,1 4,2810,3

Ленинский 15,95±1,4 27,5011,7 1,7Ю,1*

Центральный 11,63±0,95* 23,6810,6* 4,310,3

Заводский '9,3410,27* 27,3810,8 3,210,3*

Рудничный 6,83+0,51* 21,810,9* 2,810,3*

Кировский 6,28+0,32* 12,510,6* 2,110,04*

Сирень обыкновенная

Контроль 21,74+1,3 26,7+2,1 8,310,5

Ленинский 23,3б±1,6 16,3710,9* 5,710,1*

Центральный 22,07±1,2 15,1211,2* 4,310,3*

Заводский 20,0+0,2 5,7510,3* 1,210,3*

Рудничный 19,72±0,4 12,510,4* 2,110,3*

Кировский 15,2+0,3* 9,5010,5* 1,410,2*

*- отмечены достоверные отличия от контроля при В = 0,95

Таблица 3

Результаты корреляционного анализа связи интенсивности фотосинтеза древесных растений со среднегодовыми уровнями суммарного загрязнения атмосферного воздуха

Древесные породы Коэффициент корреляции, г / достоверность, t

Июнь Июль Август

Береза повислая -0,82/-2,5” -0,61/-1,32 -0,69/-1,64

Сирень обыкновенная -0,90/-3,60* -0,69/-1,64 -0,87/-3,1

Рябина сибирская -0,79/-2,25 Ь 00 00 О -0,50/-1,00

• - достоверные показатели при р<0,05; ** - прир<0,1.

Выводы

1. Максимальная активность фотосинтетического аппарата у древесных растений как на фоновых участках, так и в городской среде наблюдается в разные сроки вегетации: у березы повислой — в июне, у липы мелколистной, рябины сибирской и сирени обыкновенной - в июле, что связано с фенологическими особенностями развития данных древесных пород.

2. Результатами экспериментов показана возможность оценки фотосинтетической способности древесных растений в условиях промышленного города по относительному изменению в удельном содержании восстановленных веществ в листьях за единицу времени:

- установлено, что в городской среде отмечается снижение уровня восстановленных веществ в листьях древесных растений, причем максимальное снижение данного показателя у березы повислой и сирени обыкновенной отмечается в августе, у липы мелколистной и рябины сибирской - в июне;

- более существенное снижение в содержании восстановленных веществ характерно для деревьев Заводского, Кировского и Рудничного районов города, что позволяет судить о их зйачительном загрязнении.

3. Выявленная отрицательная корреляционная связь между интенсивностью фотосинтеза в листьях березы повислой, рябины сибирской, сирени обыкновенной и уровнями атмосферного загрязнения различных районов города позволяет считать возможным использование данного показателя в качестве индикатора суммарного загрязнения атмосферного воздуха.

Литература

1. Зайцев В.И. II Информационный сборник. Вып. 10. Кемерово, 2000. С. 221. ,

2. Николаевский B.C. Биологические основы газоустойчи-вости растений. Новосибирск, 1979.

3. Николаевский В С. // Методологические и философские проблемы биологии. Новосибирск, 1981. С. 341-354.

4. Николаевский B.C. II Региональный экологический мониторинг. М., 1983. С. 202-222. >

5. Николаевский B.C., Першина НА II Проблемы фитогигиены и охрана окружающей среды. М., 1981. С. 15-20.

6. Николаевский B.C. И Разработка и внедрение на комплексных фоновых станциях методов биологического мониторинга. Т.1. Рига, 1983. С. 23-32.

7. Николаевский B.C., Николаевская Т.В. Методика определения допустимых концентраций вредных газов для растительности. М., 1988.

8. Николаевская Т.В. Эколого-физиологическая оценка устойчивости растений к трем газам (S02, H2S, NH3): Автореф. дис.... канд. биол. наук. М., 1992.

9. Николаевский B.C. Экологическая оценка загрязнения окружающей среды и состояния наземных экосистем методами фитоиндикации. М., 1998.

10. Слемнев Н И Эколого-физиологические исследования фотосинтеза и дыхания. Л., 1989. С. 14-19.

11. Фролов А К. Окружающая среда крупного города и жизнь растений в нем. СПб., 1998.

12. Состояние окружающей природной среды Кемеровской области в 1998 г.: Доклад Госкомитета по охране окружающей среды Кемеровской области. Кемерово, 1999.

13. Быков ОД. Бескамерный способ изучения фотосинтеза: Метод, указ. Л., 1974.

Кемеровский технологический институт пищевой промышленности_____________________________________29 апреля 2002 г.