CC BY
222
ВЕСТНИК УДМУРТСКОГО УНИВЕРСИТЕТА БИОЛОГИЯ. НАУКИ О ЗЕМЛЕ
УДК 504.5:574 (470.51) (045)
Г.Р. Хузина
ВЛИЯНИЕ УРБАНОСРЕДЫ НА МОРФОМЕТРИЧЕСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ ЛИСТА БЕРЕЗЫ ПОВИСЛОЙ (BETULA PENDULA ROTH)
Исследованы морфометрические параметры листа березы повислой, произрастающей в промышленных городах УР. Выявлены особенности изменения в формировании пластинки листа в условиях городской среды в зависимости от разной степени техногенной нагрузки. Сделан вывод о перспективности использования данного вида в целях биоиндикации городской среды.
Ключевые слова: биоиндикация, урбаноэкосистема, морфометрические параметры, ксерофитизация, газоустой-чивость.
Проблемы экологии городской среды занимают одно из первых мест в иерархии глобальных проблем современности, так как эта среда отличается своеобразием экологических факторов, специфичностью техногенных воздействий, приводящих к значительной трансформации окружающей среды. Воздух в городе наполнен пылью, сажей, аэрозолями, дымом, твердыми частицами и т.д. К основным источникам загрязнения относятся промышленные и топливно-энергетические предприятия, транспорт. Естественно, что от загрязненного воздуха страдает человек и все, что его окружает [1].
В настоящее время крайне актуален вопрос оптимизации городской среды. Для этого используются древесные растения, основная роль которых сводится к их способности нивелировать неблагоприятные для человека факторы природного и техногенного происхождения [2; 3]. Кроме этого, они выделяют кислород, снижают температуру, силу ветра и шума, повышают влажность воздуха, нередко улучшают среду до комфортной [3]. Однако высокая степень воздействия негативных антропогенных факторов, присущая урбанизированным территориям, закономерно приводит к ослаблению растительности, преждевременному старению, снижению продуктивности, поражению болезнями, вредителями и гибели насаждений. Древесные растения, оказавшиеся в городских условиях, начинают отставать в росте и развитии, уменьшаются их параметры, рано начинает изреживаться крона [4]. Городские насаждения, призванные оздоравливать урбанизированную среду, сами при этом нуждаются в защите. Таким образом, наравне с вопросом озеленения города на первый план также ставится проблема способов выявления и оценки уровня загрязнения окружающей среды [1].
На сегодняшний день одним из эффективных и недорогих методов биомониторинга является фитоиндикация [5], так как растения считаются надежными индикаторами загрязнения природной среды различными токсическими веществами. Они вынуждены адаптироваться к стрессовому воздействию среды с помощью физиолого-биохимических и анатомо-морфологических перестроек организма [6]. Фиксация и оценка этих изменений, которые могут регистрироваться уже на самых ранних стадиях деградации, дают достоверную картину условий места произрастания растений и отражают состояние городской среды [7; 8].
Наиболее чувствительным органом растений является зеленый лист, так как он очень подвержен действию токсических газов. Угнетение роста листьев находится в прямой зависимости от степени загазованности местообитания: чем выше загрязнение воздуха, тем меньше морфометрические параметры листа [1]. Для того чтобы более наглядно продемонстрировать эту закономерность, необходимо не просто сравнить листья визуально, а определить и сравнить их площади и размеры.
Целью данной работы является выявление влияния урбаносреды на морфометрические параметры листьев березы повислой.
Для достижения поставленной цели нужно было:
1) провести полный анализ морфометрических параметров листьев;
2) сопоставить данные морфометрических параметров листа березы повислой в гг. Ижевске и Воткинске;
3) выявить особенности адаптации листьев березы повислой к действию загрязняющих веществ в условиях урбаносреды;
4) определить возможность использования березы повислой для мониторинга окружающей среды и озеленения улиц города.
БИОЛОГИЯ. НАУКИ О ЗЕМЛЕ
Материал и методика исследований
Исследования проводились в период с 15 июня по 15 сентября 2009 г. с двухнедельным интервалом между сборами материала. Повторность снятия морфометрических параметров листа трехкратная (июнь, июль, август).
Объектом исследования стала береза повислая (Betula pendula Roth) из семейства Betulaceae, широко применяемая в озеленении городов УР. Она прекрасно приспособлена к перенесению низких температур, не страдает от весенних заморозков, мало требовательна к почвам, может расти на бедных песчаных и каменистых почвах, проточных болотах. Светолюбива. Газоустойчива [9].
В каждом городе наблюдения осуществлялись в двух точках: предположительно в участках с сильным антропогенным (магистральные посадки) и со слабым антропогенным загрязнением (парковая посадка и посадка частного сектора).
В г. Ижевске первая точка исследования (далее участок №1) - аллея берез на ул. Промышленной, напротив Механического завода. Расстояние от автодороги примерно 3 м. Вторая точка (участок №2) - аллея берез в центральном парке культуры и отдыха им. Кирова, который представляет собой городской парк ландшафтного типа площадью 113 га, имеющий компактную нерасчлененную конфигурацию и расположенный в стороне от преобладающих в Ижевске ветров.
В г. Воткинске первая точка (участок №3) находится на ул. Мира, являющейся одной из основных центральных улиц города. С правой стороны - набережная. Вторая точка (участок №4) расположена на южной стороне города в частном секторе (ул. Халтурина).
В каждой точке исследовалось по пять деревьев березы. Возраст растений, используемых для наблюдения, примерно одинаков. С каждого модельного дерева со стороны кроны, обращенной к дороге, с высоты 1,5 - 2м от земли срывалось по 30 неповрежденных максимально развитых листьев, у которых с помощью программы Photoshop CS3 и Scion Jmage был измерен ряд линейных параметров: длина и максимальная ширина листовой пластинки, длина черешка листа; вычислено отношение длины черешка к длине листовой пластинки, а также определена площадь листовой пробы. Общее количество проанализированных листьев за весь период исследования составило 600. При наблюдениях и измерениях проводилась статистическая обработка полученных данных. Это позволило оценить точность и достоверность полученных результатов.
Результаты и их обсуждение
Проведенный нами анализ морфометрических параметров листа показал различие в степени изменений изучаемых признаков у листьев березы повислой магистральных, парковых посадок, а также посадок частного сектора. Так, при измерении длины листовой пластинки (рис.1) в начале исследования выяснилось: максимальное значение имеют листья магистральных посадок (участки №1 и №3), а минимальное - листья на участках №2 и №4, где средние значения длины листовой пластинки равны соответственно 5,70 см и 5,91 см. Как известно, у видов наиболее устойчивых к неблагоприятным факторам внешней среды минимализация размеров листа часто вызвана предадаптивным характером [10]. Но Н.В. Турмухаметова отмечает, что по мере адаптации древесных растений к условиям техногенного загрязнения может происходить и удлинение параметров [11]. Эта закономерность хорошо прослеживается и в наших исследованиях: с июля по август месяц среднее значение длины листовой пластинки у берез в участках №2 и №4 возрастает до значений 6,96 и 7,10 см соответственно и приравнивается к подобным параметрам у березы повислой, произрастающей на участке №1, между которыми нет достоверных отличий (Р=0,49). Максимальность данного параметра в течение всего периода исследования сохраняется у листьев берез в магистральных посадках г. Воткинска.
При изучении такого морфометрического параметра, как ширина листовой пластинки (рис. 2), были получены следующие результаты: если в начале вегетации листья березы повислой, произрастающей на участках №1, №2 и №4 не имеют достоверных отличий в изменении данного признака (Р= 0,28), то при третьей повторности измерений мы видим увеличение морфометрического параметра листа на втором и четвертом участках. По тому, что листья сильно деформированы (выпуклой и вогнутой формы), можно судить о том, что ростовой процесс идет в основном за счет роста клеток основания и средней части листа, так как по мере накопления токсических веществ происходит торможение роста периферической части листовой поверхности [1]. При измерении ширины листа березы повислой на участке №1 к концу августа было отмечено уменьшение числового показателя
(5,12см), Р=0,006, что указывает на отклонение от нормы и может быть объяснено негативным воздействием урбаносреды. Ширина листовой пластинки также существенно выше на третьем участке на всех трех повторностях по сравнению с другими участками исследования (Р= 5,49х10-30).
10,00
9.00
8.00
7.00
6.00
5.00
4.00
3.00
2.00 1,00 0,00
п г Ижевск, п г Ижевск, п г. Воткинск, 0 г. Воткинск,
ул. Промышленная (уча- парк им. Кирова ул. Мира ул. Халтурина
сток №1) (участок №2) (участок №3) (участок №4)
Рис. 1. Динамика прироста длины листовой пластинки березы повислой в течение вегетационного периода в разных участках произрастания
9.00 -
8.00 -
7.00 -
6.00 -
5.00 -
4.00 -
3.00 -
2.00 -
1,00 -
0,00
июнь июль август
□ ■ □ □
Участок №1 Участок №2 Участок №3 Участок №4
Рис. 2. Динамика роста листовой пластинки березы повислой в ширину в течение вегетационного периода в разных участках произрастания
Анализ отношения длины черешка к длине листовой пластинки показал уменьшение этого числового индекса к концу вегетации во всех трех участках, кроме участка №1, где рост листовой пластинки идет равномерно с ростом черешка (рис.3). У берез, произрастающих на втором, третьем и четвертом участках, рост листовой пластинки доминирует над ростом черешка. Это говорит о том, что крона дерева в этих участках густая, что подразумевает благоприятный климат для роста.
В результате измерения и сравнения площади листа у березы повислой на исследуемых участках выяснилось (рис.4), что если в середине июня парковая посадка берез и посадка данного вида в
частном секторе имеют меньшие показатели данного параметра (15,75 см2 и 16,00 см2 соответствен-
но) по сравнению с магистральными посадками, то к концу вегетации среднее значение площади листовой пластинки берез этих же участков составляет 25,24 см2 и 16,97 см2, то есть у листьев на участке №4 наблюдались признаки ксерофитизации: уменьшение ассимилирующего органа (хотя, как указывалось выше, при этом происходит увеличение ширины и длины листовой пластинки), что, по мнению В.С. Николаевского [12], вызвано подавлением фазы растяжения клеток из-за недостатка ассимилянтов (ингибирование фотосинтеза) и возможно нарушение гормональной регуляции роста под действием отдельных факторов урбаносреды. Но анализ литературных источников показывает,
4,82
4,77
6,02
4,64
4,90
4,96
6,15
4,76
5,12
5,39
6,65
5,25
5б_____________
2010. Вып. 3
БИОЛОГИЯ. НАУКИ О ЗЕМЛЕ
действием отдельных факторов урбаносреды. Но анализ литературных источников показывает, что явление ксероморфоза могут вызывать и другие неблагоприятные факторы среды, например недостаток влаги, избыток освещения, недостаток минеральных веществ, избыток хлора и т.д. [8]. Исходя из этого, можно высказать мнение о том, что хотя и неизвестна этиология действующего агента, но эти изменения отражают общую реакцию растений на стрессовое воздействие. У березы повислой в парковой посадке и в магистральных посадках происходит увеличение площади листа, при этом длина и ширина листовой пластинки тоже возрастают.
0,80 -0,70 -0,60 -0,50 -0,40 -0,30 -0,20 -0,10 -0,00 -
Рис. 3. Динамика изменения соотношения длины черешка к длине листовой пластинки в течение вегетационного периода в разных участках произрастания березы повислой
35.00 -
30.00 -
25.00 -
20.00 -
15.00 -
10.00 -5,00 -0,00
июнь июль август
□ ■ □ □
Участок №1 Участок №2 Участок №3 Участок №4
Рис. 4. Характер изменения площади листовой пластинки в течение вегетационного периода в разных участках произрастания березы повислой
Заключение
Проведенный нами морфометрический анализ листьев березы повислой позволяет выделить различные типы изменения в формировании пластинки листа в условиях городской среды в зависимости от разной техногенной нагрузки. Так, у берез, произрастающих в магистральных посадках в г. Ижевске, наблюдается сужение листовой пластинки, тогда как в парковых посадках, наоборот, происходит увеличение ширины листовой пластинки березы, что, вероятно, связано с сильной загазованностью воздуха. В подобной обстановке в г. Воткинске листья березы повислой не реагируют на городские условия изменением морфогенеза, что указывает на то, что условия для произрастания растений здесь более благоприятные. На наш взгляд, это объясняется, во-первых, месторасположени-
20,17
15,75
27,0-.
16,00
21,3719,83
27,02
16,03
22,82
25,24
28,07
16,97
0 0,
0,: i6 0, 36 , 12 0 37 0, 35 0, 37 0, 37 0, 36
0 42 0, 32
39
39
июнь июль август
□ ■ □ В
Участок №1 Участок №2 Участок №3 Участок №4
ем г. Воткинска, где более теплый микроклимат и наблюдается раннее наступление фенологических фаз, и, во-вторых, малым количеством, по сравнению с г. Ижевском, промышленных предприятий и топливно-энергетических станций, что также благоприятно влияет на рост и развитие растений.
Таким образом, на основании изменения изучаемых характеристик можно сделать вывод о возможности использования рассмотренных показателей для индикации урбаносреды и для оценки их влияния на древесную растительность.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:
1. Бессонова Н.В. Использование метода биоиндикации для оценки экологического состояния различных районов в г. Хабаровске // Интернет-конференции «Леса России в XXI веке». URL: http://ftacademy. ru/ sci-ence/ internet-conference/index.php?c=1&a=25
2. Экология крупного города (на примере Москвы): учеб. пособие / под общ. ред. А.А. Минина. М.: Пасьва, 2001. 192 с.
3. Неверова О.А., Колмогорова Е.Ю. Древесные растения и урбанизированная среда: Экологические и биотехнологические аспекты. Новосибирск: Наука, 2003. 222 с.
4. Мамаева Е.Т. Естественная древесная растительность в городской среде // Естественная растительность промышленных и урбанизированных территорий Урала. Свердловск: Академия наук СССР. Урал. отд-ние, 1990. С. 73-75.
5. Николаевский В.С. Фитомониторинг, его значение и роль в системе био- и экологического мониторинга // Методология экологического нормирования. Харьков, 1990. Ч. 2. С. 9.
6. Николаевский В.С. Экологическая оценка загрязнения среды и состояние наземных экосистем методами фитоиндикаций. М.: МГУЛ, 1999. 193 с.
7. Мельхова О.П., Егорова Е.И. и др. Биологический контроль окружающей среды: биоиндикация и биотестирование: учеб.пособие для студ. высш. учеб. заведений / под ред. О.П. Мельховой, Е.И. Егоровой. М.: Изд. центр «Академия», 2007. С. 16, 17.
8. Неверова О. А., Колмогорова Е.Ю. Ксерофитизация листьев древесных растений как показатель загрязнения атмосферного воздуха ( на примере г. Кемерово) // Лесной журнал (Изв. высш. учеб. заведений). 2002. №3. С. 29-33.
9. Шадрин В.А., Ефимова Т.П. Деревья и кустарники Удмуртии: Определитель. Ижевск: Изд-во Удм. ун-та, 1996. С. 40.
10. Кулагин Ю.З. Индустриальная дендроэкология и прогнозирование. М.: Наука, 1985. 117 с.
11. Турмухаметова Н.В. Особенности морфогенеза побегов и феноритмов Betula pendula Roth и Tilia cordata Mill. в условиях городской среды : автореф. дис. ... канд. биол. наук. Новосибирск, 2005. 19 с.
12. Николаевский В.С. Биологические основы газоустойчивости растений. Новосибирск: Наука, 1979. 213 с.
Поступила в редакцию 28.07.10
G.R. Huzina, postgraduate student
Influence of urban environment on morphometrical parameters of birch leaf (Betula pendula)
Morphometric parameters of leaf birch, growing in the industrial city of Ur. The features of changes in the formation of the plate sheet in the urban environment, depending on varying degrees of industrial load are investigated. The conclusion about the prospects of using this type for bioindication urban environment is made.
Keywords: bioindication, urbanoekosistema, morphometric parameters, xerophytization, gas-resistant.
Хузина Гульшат Радиковна, аспирант
ГОУВПО «Удмуртский государственный университет»
426034, Россия, г. Ижевск, ул. Университетская, 1 (корп. 1)
E-mail: [email protected]
