CC BY
95
УДК 502:005.584.1
Е. А. Минакова, А. П. Шлычков, И. Г. Шайхиев
ОЦЕНКА ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ УРБОСИСТЕМЫ Г. КАЗАНЬ
С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ МЕТОДА БИОИНДИКАЦИИ: ПРИДОРОЖНЫЕ ТЕРРИТОРИИ
Ключевые слова: береза повислая (Betula pendula Roth.), листовая пластинка, биоиндикация, флуктуирующая асимметрия,
стабильность развития.
В статье приведены результаты биоиндикационных исследований за стабильностью развития березы повислой (Betula pendula Roth.) по величине флуктуирующей асимметрии листовой пластинки на придорожных территориях г. Казань. Выявлена тенденция улучшения качества окружающей среды и неоднородность в пространственном распределении индекса флуктуирующей асимметрии по территории г. Казани. Установлена зависимость величины показателя флуктуирующей асимметрии Betula pendula Roth. от удаленности до автомобильных дорог.
Keywords: environment, integrated assessment, phytomonitoring, Betula pendula Roth., fluctuating asymmetry.
The article presents the results of research bioindicative stability of Betula pendula Roth. Largest leaf fluctuating asymmetry on roadside territories Kazan. It is shown the tendency to improve environmental quality and heterogeneity in the spatial distribution of the index offluctuating asymmetryon the territory of Kazan. The dependence of the value of the index offluctuating asymmetry Betula pendula Roth. on the distance to the roads is revealed.
Урбанизированная среда, помимо комфортной городской среды, развитой инфраструктуры и социально-экономических благ несет в себе массу экологических проблем, являющихся в настоящее время чрезвычайно актуальными. В атмосферном воздухе современных городов присутствуют сотни органических и неорганических веществ различных химических классов, поступающих из многочисленных источников, как правило, антропогенного характера. Основными источниками поступления загрязняющих веществ в атмосферный воздух городов являются промышленные предприятия и автотранспорт, а наиболее распространенными загрязняющими веществами -пыль (взвешенные вещества различной природы), сернистый ангидрид, окислы азота, окись углерода и различные углеводороды [1].
Отработавшие газы автомобильных двигателей, содержащие десятки токсичных веществ, оказывают негативное воздействие на растительность придорожной полосы, что проявляется в морфологических признаках листьев деревьев вблизи транспортных магистралей. Оценка происходящих с растениями изменений, которые могут регистрироваться уже на самых ранних стадиях деградации, дают достоверную картину условий места произрастания растений и отражают состояние городской среды.
Казань является крупным промышленным центром Российской Федерации. Основными веществами, загрязняющими атмосферный воздух г. Казани являются ЛОС, оксиды азота, оксид углерода, углеводороды, диоксид серы. Доля вклада автомобильного транспорта в общее загрязнение атмосферного воздуха г. Казань согласно [2] составляет 72% (74,77 тыс. т).
В данной работе в продолжение предыдущих исследований [3-6] проведена оценка экологического состояния придорожных территорий г. Казани по изменению стабильности развития
представляет
ненаправленные
билатеральной
березы повислой (Betula pendula Roth.) в период с 2012 по 2014 г.г.
Одним из таких биоиндикационных методов оценки состояния окружающей среды (ОС) является метод морфогенетического мониторинга, то есть оценка уровня стабильности развития живых организмов с онтогенетических позиций [7, 8]. Состояние популяций симметричных организмов может быть оценено через анализ величины флуктуирующей асимметрии (ФА),
характеризующей мелкие ненаправленные нарушения стабильности развития и являющейся интегральным ответом организма на состояние среды [9]. Величина ФА дает характеристику морфогенетического гомеостаза, или стабильности развития, и определяется, как следствие несовершенства онтогенетических процессов и собой незначительные
отклонения от строгой симметрии и может быть охарактеризована как одно из наиболее обычных и доступных для анализа проявлений случайной изменчивости развития. Особенностью оценки по стабильности развития является то, что оно в большой степени зависит от общей генетической перестройки организма, что особенно важно при оценке последствий любого воздействия [7, 10]. Оценка стабильности развития производилась по величине ФА пяти признаков листовой пластинки. В качестве интегрального показателя флуктуирующей асимметрии использовали величину среднего относительного различия между сторонами на признак. Для характеристики состояния растений по стабильности развития использовали пятибалльную шкалу, которая составлена в соответствии со степенью возрастания интегрального показателя стабильности развития: первый балл соответствует условной норме, пятый - критическому состоянию [11].
Объектом исследования для определения степени нарушения стабильности развития выбрана
береза повислая (Betula pendula Roth.). Выбор объекта исследования обусловлен тем, что данный вид является широко распространенным, к тому же, растения в уробосистемах становятся основной мишенью токсикантов при техногенном загрязнении, в течение всей своей жизни привязаны к локальной территории и подвержены влиянию почвенной и воздушной сред, наиболее полно отражающих весь комплекс стрессирующих воздействий на экосистему.
Сбор и обработка материала проведена в соответствии с [12]. Ранее проведенными исследованиями определены средние значения интегрального показателя ФА в г. Нижнекамске, на основании которых определено, что последние превышают условную норму, что свидетельствует о критическом состоянии ОС [13].
Отбор материала проводился в 2012-2014 гг. Выбор периода наблюдений обусловлен проведением в 2012 г в г. Казани интенсивных работ по строительству мостовых переходов для автотранспорта и пешеходных надземных и подземных переходов, расширение линии метрополитена, приуроченных к проведению Универсиады 2013 г. Данное воздействие создавало большие сложности организации движения автотранспорта, вызывая снижение скорости автотранспорта и постоянные пробки, что вело к интенсивному загрязнению атмосферного воздуха выбросами автотранспорта. К 2013-2014 г. г. на основных автомагистралях г. Казани были созданы благоприятные условия для движения автотранспорта, введены подземные и надземные
800
переходы для пешеходов, построены транспортные развязки, разгружающие поток машин и введены несколько станций метрополитена, проведено благоустройство и озеленение придорожных территорий по Программе «Зеленый рекорд».
Площадки для отбора материала были заложены в четырнадцати точках г. Казани, в разных районах города на расстоянии 5-30 м от автомобильных дорог. Статистическая обработка полученных материалов проведена с использованием табличного процессора MS Excel.
Для каждой выборки были рассчитаны основные статистические характеристики ФА: среднее значение, стандартная ошибка, медиана, мода, стандартное отклонение, эксцесс и асимметрия. Показано, что исходные ряды имеют распределение близкое к нормальному распределению. Визуализация полученных результатов выполнена с использованием программы «Surfer», которая позволила оценить пространственное распределение индекса ФА по территории г. Казани в ретроспективе лет (рис. 1-3). Данный подход позволяет провести достаточно точный анализ пространственного распределения исследуемого показателя, оценить характер распределения объектов или явлений, выявить динамику в пространстве и времени. Использованный способ также позволяет выявлять экологическую неоднородность качества ОС и позволяет определить степень отклонения от экологического оптимума в каждой конкретной точке территории.
600
400
200
О
0 200 400 600 800 1000 1200
Рис. 1 - Пространственное распределение показателя ФА березы повислой (Betula pendula Roth.) в 2012 г.
Анализ рис. 1 показывает, что в период проведения основных строительных работ, которые в первую очередь затрагивали дорожные зоны, значения индекса ФА в городе изменялись от 0,4 до 0,9. В центральной части г. Казани (Приволжский район) и северной части (Авиастроительный и Ново-Савиновский район) наблюдались области повышенного значения индекса ФА 0,08-0,09. В
пространственном распределении показателя ФА березы повислой (Betula pendula Roth.) в Кировском и Московском районах, наблюдалось увеличение индекса ФА с юго-запада на северо-восток, что обусловлено переносом загрязняющих веществ ветром преобладающего направления (юго-западное), которое превалирует в период вегетации растений.
Рис. 2 - Пространственное распределение показателя ФА березы повислой (Betula pendula Roth.) в 2013 г.
Анализ динамики стабильности развития березы повислой (Betula pendula Roth.) во второй год наблюдений свидетельствует об улучшении качества ОС на территориях, где были проведены работы по ремонту дорог, строительству дорожных развязок и подземных и надземных переходов (рис. 2). Так, если значения показателя ФА в среднем по городу в 2012 г. составляли 0,073, то в 2013 г. они снизились до 0,059. Выявленная тенденция позволяет говорить о
самовосстановлении березы повислой (Betula pendula Roth.) после снижения антропогенной нагрузки, обусловленной выбросами
автотранспорта. В точках отбора, где работы по оптимизации дорожной сети проводились в меньшем объеме (юго-восток Приволжского района г. Казани), отмечается и меньшее снижение индекса ФА, а, следовательно, и самовосстановление березы повислой (Betula pendula Roth.).
Анализ динамики стабильности развития березы повислой на третий год наблюдения свидетельствует о тенденции изменения качества ОС в сторону улучшения. Так, если средние значения показателя ФА по городу в 2013 г.
составляли 0,059, то к 2014 г. они снизились до 0,055. В целом, за период исследования наблюдалось неравномерное распределение индекса ФА по территории города, а на большей части его территории качество ОС не соответствовало условной норме и характеризовалось как критическое.
В ходе проведенного исследования нами получено уравнение регрессии, описывающее связь между значениями ФА и расстоянием до автомобильной дороги (рис. 4):
ФА = - 0,0018 + 0,070, (1)
где Б - расстояние насаждений до автомобильной дороги, м.
В уравнении регрессии (1) коэффициент корреляции (г) между значениями ФА и Б г = 0,84. Коэффициент корреляции является значимым на уровне а = 0,05. Фактор Б определяет 70 % дисперсии ФА. Для анализируемого случая Я2 > 0,5, что свидетельствует о заметной силе связи между величинами ФА и Б. Анализ уравнения 1 показывает, что на расстоянии 30 м и более от автомобильной дороги качество ОС уже характеризуется как условно нормальное.
800-
600-
400-
200-
0
0 200 400 600 800 1000 1200
Рис. 3 - Пространственное распределение показателя ФА березы повислой (Betula pendula Roth.) в 2014 г.
=-0,001*+0,070 а2 - 0,700
Рис. 4 - Зависимость величины ФА на исследуемых площадках от расстояния до
автомобильной дороги, м
Приведенные данные хорошо согласуются с результатами, полученными рядом авторов. Так, Прохорова Н.В., изучая вклад автотранспорта в геохимическую трансформацию почвенного покрова г. Самары установила, что наиболее интенсивное загрязнение наблюдается в придорожных зонах, особенно в 10-30-метровой полосе, примыкающей к полотну дороги [14]. Тарасова Т.Ф. и Чаловская О.В. проводя исследования загрязнения атмосферных осадков примесями от автотранспортного комплекса на улицах г. Оренбурга выявили, что наибольшее загрязнение снежного покрова наблюдается на расстоянии 10-15 м от полотна улиц общегородского и районного значения [15].
Динамика фактических (ФАф) и рассчитанных (ФАр) значений ФА с использованием уравнения регрессии (1) приведены на рис. 5.
Расстояние, м
12 13 13
в «»ФАр
Рис. 5 - Изменчивость фактических рассчитанных значений ФА
Как показывает анализ рис. 5. наблюдается хорошая сопряженность фактических и рассчитанных значений ФА.
Заключение
Строительство транспортных дорожных развязок и подземных и надземных пешеходных переходов в г. Казани к Универсиаде-2013 г., реализация проекта «Зеленый рекорд» позволило снизить негативное воздействие выбросов автотранспорта на придорожную растительность. Отмечается снижение значений показателя ФА, что позволяет говорить о самовосстановлении березы повислой (Betula pendula Roth.) после снижения антропогенной нагрузки. Кроме того, сравнение динамики распределения индекса ФА в 2012-2014 г.г. позволило выявить тенденцию снижения
показателя ФА, что говорит об улучшении качества ОС в г. Казани.
Выявлена связь показателей значений ФА на изучаемых площадках от расстояния насаждений до проезжей части. Показано, что на расстоянии более 30 м от дороги качество ОС характеризуется как условно нормальное.
В целом, за период исследования наблюдалось неравномерное распределение индекса ФА по территории города. На большинстве обследованных площадках, наблюдается высокий уровень ФА, который превышает величину условной нормы (> 0,040) и соответствует V баллу по шкале оценки качества среды (критическое состояние ОС).
Проведенные исследования показывают, что Методические рекомендации по выполнению оценки качества среды по состоянию живых существ, на примере березы повислой (Betula pendula Roth.), можно использовать не только для оценки интегрального состояния ОС, но и использовать при планировании работ по оптимизации дорожной сети города.
Литература
1. А.А. Королев, Медицинская экология, Академия, Москва, 2003. 192 с.
2. Государственный доклад «О состоянии природных ресурсов и охраны окружающей среды Республики Татарстан в 2014 году», Казань, 2015. 531 с.
3. Е.А. Минакова, А.П. Шлычков, Е.В. Никитина, Р.А. Минлебаева, Труды третьей международной научно-практической конференции молодых ученых «Индикация состояния окружающей среды: теория, практика, образование», 2014. С. 60-63.
4. Е.А. Минакова, А.П. Шлычков, Л.М. Кустова, Журнал экологии и промышленной безопасности, 3(59), 96-98 (2013).
5. Е.А. Минакова, А.П. Шлычков, Е.В. Никитина, Р.А. Минлебаева, Вестник НЦ БЖД, 1(19), 110-115 (2014).
6 Е.А. Минакова, А.П. Шлычков, Вестник НЦ БЖД, 2(24), 126-131 (2015).
7. В.М. Захаров, Н.П. Жданова, Е.Ф. Кирик, Ф.Н. Шкиль, Онтогенез, 32, 6, 404-421 (2001).
8. S.F. Gilbert, Developmental biology, 233, 1-12 (2001).
9. Д.Б. Гелашвили, Е.В. Чупрунов, Д.И. Иудин, Журнал общей биологии, 65, 4, 385 (2004).
10. В.М. Захаров, Асимметрия животных: популяционно-феногенетический подход, Наука, Москва, 1987. 216 с.
11. В.М. Захаров, А.Т. Чубинишвили, С.Г. Дмитриев и др. Здоровье среды: практика оценки, Центр экологической политики России, Москва, 2000. 320 с.
12. Методические рекомендации по выполнению оценки качества среды по состоянию живых существ. Распоряжение Росэкологии от 16.10.2003 г. № 460-р.
13. Е.А. Минакова, А.П. Шлычков, И.Г. Шайхиев, Э.И. Биктемирова, Вестник технологического университета, 18, 16, 283-286 (2015)
13. Н.В. Прохорова, Вестник СамГУ. Естественнонаучная серия, 5(39), 188 -199 (2005).
14. Т.Ф. Тарасова, О.В. Чаловская, Вестник ОГУ, 1, 108112 (2004).
© Е. А. Минакова - к.г.н., доцент кафедры биоэкологии, Казанский (Приволжский) федеральный университет. ekologyhel@mail.ru; А. П. Шлычков - к.г.н., старший научный сотрудник, Институт проблем экологии и недропользования АН РТ, anatoliy.shlychkov@yandex.ru; И. Г. Шайхиев - д.т.н., профессор, заведующий кафедрой инженерной экологии, Казанский национальный исследовательский технологический университет.
© E. A. Minakova - Ph.D., assistant professor of bio-ecology, Kazan (Volga) Federal University, ekologyhel@mail.ru; A. P. Shlychkov - Ph.D., Senior Research Fellow, Institute of Ecology and Mineral Sciences of the Republic of Tatarstan, anatoliy.shlychkov@yandex.ru; I. G. Shaikhiev - Professor, Head of Department of Environmental Engineering, Kazan National Research Technological University.
