CC BY
228
БИОЛОГИЯ И ЭКОЛОГИЯ, ЛЕСНОЕ ХОЗЯЙСТВО
УДК 630*11
Хвойные бореальной зоны. Том XXXV, № 1-2. С. 7-14
БИОИНДИКАЦИЯ УРБОЭКОСИСТЕМ ПО МОРФОЛОГИЧЕСКИМ ПРИЗНАКАМ
ХВОЙНЫХ РАСТЕНИЙ
Е. В. Авдеева1, А. И. Панов2
1 Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31
E-mail: [email protected] 2Управление зеленого строительства Российская Федерация, 660099, г. Красноярск, ул. Обороны, 21
Интенсивный процесс урбанизации обусловил ряд экологических проблем, связанных с резким ухудшением качества городской среды. Все это вызывает необходимость объективной оценки ее современного состояния и познания механизмов функционирования систем в интересах экологической безопасности человека в условиях техногенного стресса. В озеленении городов используются хвойные растения. В сложных экологических условиях городов хвойные растения выполняют роль биологических индикаторов, при этом ассимиляционный аппарат является признаком - маркером, позволяющим оценить состояния окружающей среды городских территорий. Сосна обыкновенная (Pinus sylvestris L.) используется в озеленении городских улиц и мест отдыха. При этом сосна обыкновенная реагирует на воздействия урбанизированной среды. Результаты оценки состояния воздушной среды методом дендроиндикации по морфологическим признакам хвойных растений показали, что из 22 обследованных объектах только на 3 состояние воздушной среды оценивается как идеально чистое в районе поселка Удачный, главного корпуса сибирского федерального университета и на Ботаническом бульваре. Данные объекты находятся на значительном удалении от центральной части города, они располагаются с его наветренной стороны относительно господствующего юго-западного ветра, рядом с большими массивами естественной растительности. На двух объектах состояние воздушной среды оценивается как чистое, трех - относительно чистое. Данные объекты также располагаются на периферии города, один из них в долине реки Кача. На остальных объектах состояние воздушной среды оценивается от загрязненного (5 объектов), грязного (6 объектов) до очень грязного (2 объекта). При этом один из исследуемых объектов расположен в зоне с невысоким фоновым загрязнением окружающей среды (Ботанический бульвар), но на разделительной полосе автодороги. Реакция хвои сосны обыкновенной показала, что состояние воздушной среды в придорожной полосе с двух сторон от которой проходит поток автотранспорта оценивается как грязный.
Ключевые слова: биоиндикация, урбоэкосистема, озеленение, сосна обыкновенная, хвоя.
Conifers of the boreal area. Vol. XXXV, No. 1-2, P. 7-14
BIOINDICATION OF URBAN ECOSYSTEMS ACCORDING TO THE MORPHOLOGICAL
CHARACTERISTICS OF CONIFERS
E. V. Avdeevа1, A. I. Panov2
:Reshetnev Siberian State Aerospace University 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation E-mail: [email protected] 2Management of Green Building 21, Oborony Str., Krasnoyarsk, 660099, Russian Federation
The intensive process of urbanization caused a number of environmental problems associated with a sharp deterioration in the quality of the urban environment. All this raises the need for an objective assessment of its current state and knowledge of the mechanisms of functioning of systems in the interests of human ecological safety in the conditions of technogenic stress. In the greening of cities, coniferous plants are used. In difficult ecological conditions of cities, coniferous plants play the role of biological indicators, while the assimilation apparatus is a marker that allows assessing the environmental conditions of urban areas. Pine (Pinus sylvestris L.) is used in the greening of city streets and rest places. In this case, Scots pine reacts to the effects of an urbanized environment. The results of assessing the state of the air environment by the method of dendroindication based on the morphological features
of coniferous plants have shown that of the 22 surveyed sites, only 3 air condition conditions are estimated as perfectly clean in the vicinity of «Udachny», the main building of the Siberian Federal University and on the Botanic Boulevard. These facilities are located at a significant distance from the central part of the city, they are located on its windward side relative to the prevailing south-west wind, next to large tracts of natural vegetation. At two sites the state of the air environment is estimated as clean, three - relatively clean. These facilities are also located on the periphery of the city, one of them in the Kacha River valley. On other objects, the air condition is estimated from the contaminated (5 objects), dirty (6 objects) to very dirty (2 objects). At the same time, one of the investigated objects is located in a zone with low background pollution of the environment (Botanical Boulevard), but on the dividing strip of the road. The reaction of needles of Pinus sylvestris has shown that the condition of the air environment in the roadside strip from both sides of which the flow of vehicles passes is estimated as dirty.
Keywords: bioindication, urboecosystem, landscaping, Pinus sylvestris, needles.
АКТУАЛЬНОСТЬ ПРОБЛЕМЫ
Интенсивный процесс урбанизации обусловил ряд экологических проблем, связанных с резким ухудшением качества городской среды. Все это вызывает необходимость объективной оценки ее современного состояния и познания механизмов функционирования систем в интересах экологической безопасности человека в условиях техногенного стресса. В сложных экологических условиях городов зеленые насаждения выполняют ряд важных функций: средоформирую-щую, санитарно-гигиеническую, рекреационную, во многом определяя степень комфортности городской среды и, следовательно, здоровье жителей [1; 2; 4]. Одна из главных проблем городов - загрязнение окружающей среды, и особенно атмосферного воздуха [3]. К преобладающим веществам, определяющим степень загрязнения воздушной среды городов, относятся взвешенные вещества (пыль), диоксид серы, диоксид азота, сероводород, формальдегид, оксид углерода, бенз(а)пирен, фенол, фторид водорода, кадмий, медь и другие.
В озеленении городов используются хвойные растения, среди которых достаточное распространение получила сосна обыкновенная (Pinus sylvestris L.). Деревья, произрастающие в урбанизированной среде, принимают на себя газопылевые выбросы транспортных потоков и неблагоприятное изменение почвенных режимов (переуплотнение и засоление почвы, недостаток кислорода, повышенное содержание оксидов), что ведёт к замедлению или прекращению их нормального роста и развития.
Сосна обыкновенная является ценным деревом для создания крупных городских и загородных парков, а также лесопарков при условии отсутствия вблизи них промышленных предприятий, выделяющих вредные газы. Используется как в чистых, так и в смешанных насаждениях, массивами (в лесопарках), группами и в виде солитеров. Несмотря на большие размеры, она вписывается в ландшафтное оформление небольших объектов (скверов, садов). Она эффектна как в качестве солитера, так и в групповых посадках с лиственными и хвойными деревьями. Однако следует помнить, что сосна с возрастом не только видоизменяется, но и значительно увеличивается в размерах. Если не предусмотреть данный фактор сразу при высадке дерева в группу, вырастая, деревья могут ограничивать жизненное пространство друг друга, в результате чего изменяется эстетический вид групповой композиции Нежелательно высаживать несколько
сосен на небольшой площади. С ростом у растения отмирают нижние ветви, деревья сильно вытягиваются и теряют декоративность. Безусловно, групповые посадки сосны обыкновенной выглядят превосходно, однако их следует размещать на достаточно обширных участках. В зеленом строительстве имеет не только декоративное, но и санитарно-гигиеническое значения благодаря антисептическому действию смолистых летучих веществ.
При этом установлено, что сосна обыкновенная реагирует на воздействия урбанизированной среды. У деревьев в городских посадках снижается высота, протяженность кроны, уменьшается диаметр ствола, ширина кроны, густота охвоения, площадь поперечного сечения хвои. Факт высокой чувствительности хвойных древесных пород был отмечен во многих исследованиях зарубежных и российских ученых. Индикаторные растения могут использоваться как для выявления отдельных загрязнений воздуха, так и для оценки общего состояния воздушной среды [5; 6]. Таким образом, состояние элемента биологической системы отражает воздействие на нее природных или антропогенных факторов и условий среды и может применяться для оценки ее состояния. Экосистемный подход к оценке среды дает возможность диагностики ее изменений.
ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
Перспективным подходом изучения качества городской среды, в целом, и отдельных ее компонентов, в частности древесной растительности, является концепция экологического мониторинга, в основе которой лежит организация системы непрерывных наблюдений, анализ и прогноз ее состояния. Периодическая фиксация состояния объектов озеленения и сравнительный анализ современных материалов с предшествующими позволяют оценить динамику состояния изучаемых объектов, изменения качества и количества древесных растений, а также установить причины происходящих процессов [7].
Биоиндикаторы - организмы особенности развития которых служат показателями антропогенных изменений среды обитания. Их индикаторная значимость определяется экологической толерантностью биологической системы. В пределах зоны толерантности организм способен поддерживать свой гомео-стаз. Любой фактор, если он выходит за пределы «зоны комфорта» для данного организма, является стрессовым. В этом случае организм реагирует ответной
реакцией различной интенсивности и длительности, проявление которой зависит от вида и является показателем его индикаторной ценности. Биологическая система реагирует на воздействие среды в целом, а не только на отдельные факторы, причем амплитуда колебаний физиологической толерантности модифицируется внутренним состоянием системы.
Фитоиндикаторы указывают на присутствие загрязняющего вещества в воздухе или почве ранними морфологическими реакциями - изменением окраски листьев (появление хлорозов; желтая, бурая или бронзовая окраска), различной формы некрозами, преждевременным увяданием и опаданием листвы. У многолетних растений загрязняющие вещества вызывают изменение размеров, формы, количества органов, направления роста побегов или изменение плодовитости. Они накапливают в своих тканях загрязняющее вещество или вредные продукты метаболизма, образуемые под действием загрязняющих веществ, без видимых изменений. При превышении порога токсичности ядовитого вещества для данного вида проявляются различные ответные реакции, выражающиеся в изменении скорости роста и длительности фенологических фаз, биометрических показателей и, в конечном счете, снижении продуктивности.
На основании этого нами были отобраны объекты озеленения, расположенные в городе Красноярска в различных ландшафтных зонах на территориях с разным уровнем антропогенной нагрузки, максимально приближенные к постам наблюдения за состоянием окружающей среды [8]. Исходя из поставленных задач отобрано двадцать два объект озеленения (рис. 1, 2). На каждый исследуемый объект озеленения составлен экологический паспорт, в котором отражены, следующие характеристики: местоположение объекта; ветровые условия; антропогенные нагрузки; количество деревьев сосны обыкновенной, их санитарное и эстетическое состояние; расстояние от посадок сосны обыкновенной до автодороги; количество автотранспорта проезжающего по прилегающей дороги в сутки и др. Проведена оценка состояния фитосреды с использованием авторской компьютерной программы «Биометрия урбофитоценозов. Построение бонитеро-вочных таблиц биометрических параметров древесных растений урбанизированных территорий на основе анализа возрастных состояний и интегральной оценки состояния фитосреды» (Свидетельство о регистрации программы для ЭВМ, № 2015663142 от 11.12.2015). Обследования состояния среды проводилось на основе анализа техногенных, рекреационных, автортранспорных и градостроительных нагрузок. Результаты оценки фитосреды и типы условий произрастания растений представлены на рис. 2.
Анализ полученных результатов показал, что наибольший вклад в экологическую нагрузку на обследованных объектах вносит автотранспорт. Вторым по негативному воздействию фактором является техногенные нагрузки от стационарных источников загрязнения (промышленные предприятия), меньший вклад вносят рекреационные, градостроительные и ландшафтные условия. При этом сосна обыкновенная очень чувствительна к высоким рекреационным на-
грузкам, особенно к вытаптыванию газонных покрытий и уплотнению почвы. Таким образом, на 9 объектах из 22 растения произрастают в критических условиях произрастания, 5 - в конфликтных, 6 - в напряженных и только 3 - в удовлетворительных. Для оценки состояния городской среды нами использовался метод, основанный на выявлении зависимости степени повреждения хвои (некрозов и усыхания) от загрязнения воздуха в районе произрастания сосны обыкновенной. Классы повреждения и усыхания хвои представлены в таблице.
Высокая чувствительность к поллютантам и возможность круглогодичного наблюдения, делает ассимиляционный аппарат хвойных пород удобным индикатором для оценки состояния воздушной среды городских зон. Важным показателем устойчивости сосны обыкновенной к воздействию внешней среды является степень сохранности хвои на побегах, что с высокой степенью позволяет оценить интенсивность реагирования деревьев на воздействие неблагополучной среды, поскольку происходит ее дефолиация.
Морфологические изменения и продолжительность жизни хвои являются биоиндикационными показателями, которые в первую очередь реагируют на интенсивное загрязнение среды [9; 10]. Для определения качества воздушной среды использовали метод экспресс-оценка загрязнения воздуха [11].
РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ
В ходе изучения особенностей роста, морфологических характеристик, продолжительности жизни хвои сосны обыкновенной установлено, что на исследуемых объектах разница длины хвои составляет на 73,83 мм (максимальное значение составляет 101,63 мм, минимальное 27,8 мм). На объектах исследования максимальный возраст хвои составил 4 года и в минимальный - 1 год. В основном возраст хвои растений составляет 2 и 3 года. Полученные данные показали, что деревья сосны обыкновенной, произрастающие в условиях фитосреды качество которой оценивается как удовлетворительное и напряженное, имеют хвою возраст которой составляет 3-4 года, при этом хвоя имеет незначительные повреждения или не имеет их вовсе. У деревья, произрастающих в условиях фитосреды качество которой оценивается как конфликтное и критическое, возраст хвои составляет 1-2 года, при этом значительная часть хвои повреждена (см. таблицу).
Результаты оценки состояния воздушной среды методом дендроиндикации по морфологическим признакам хвойных растений - степени и характеру повреждений хвои сосны обыкновенной - показали, что из 22 обследованных объектах только на 3 состояние воздушной среды оценивается как идеально чистое в районе поселка Удачный, главного корпуса Сибирского федерального университета и на Ботаническом бульваре. Данные объекты находятся на значительном удалении от центральной части города, они располагаются с его наветренной стороны относительно господствующего юго-западного ветра, рядом с большими массивами естественной растительности. На двух объектах состояние воздушной среды оценивается как чистое, трех - относительно чистое. Данные объекты
также располагаются на периферии города, один из них в долине реки Кача. На остальных объектах состояние воздушной среды оценивается от загрязненного (5 объектов), грязного (6 объектов) до очень грязного (2 объекта). При этом один из исследуемых объектов расположен в зоне с невысоким фоновым загрязнением окружающей среды (Ботанический бульвар), но на разделительной полосе автодороги.
Реакция хвои сосны обыкновенной показала, что состояние воздушной среды в придорожной полосе с двух сторон от которой проходит поток автотранспорта оценивается как грязный. Надо отметить, что оценка состояния окружающей среды, выполненные различными методами, согласуются достаточно корректно, при этом оценка методом биотестирования дает четкую градацию.
Рис. 1. Объекты исследования и стационарные посты наблюдения за состоянием окружающей среды в г. Красноярске
Рис. 2. Интегральная оценка состояния фитосреды на локальном уровне
Дендроиндикация экологического состояния городских территорий по состоянию хвои сосны обыкновенной на объектах озеленения г. Красноярска
>
м
»
га га м и
И
Ш
| Е-
Хеоя без пятен 1.1
Хеол с небольшим числом мелких пятен 2.1
Классы повреждения и еысыхзнпя хеон
Хеоинкис большимчислом черных и желтых тшген. На хе оинках нет с\:хих участков
3,1
£
Хвоинки с большим числом черных и желтых пятен. На хвоинках усох кончик 12
£
Хвоинки с большим числом черных и желтых пятен. Усохла 1/3 хвоинки
3,3
Хвоинки с большим числом черных и желтых пятен. Вся или большая часть хвоинки сухая
3.4
пос. Удачный
30
Ботакичккин оупьыр
34
20
16
40
/
10
I - воздух ндгально чистый
I - воздух идеально чистый
I - воздух ндгально чистый
Цирк
Парк имени 1 Мая
Ботанический бульвар
Сквер Мебепгва
20
31
10
10
32
12
20
Щ - относительно чистый
Ш - относнтально чистый
- относительно чистын
Ш - относнтально чистый
Окончание таблицы
§ н
Хвоя без пятен 1.1
1
П:)
щ о
Хвоя с небольшим числом мелких пятен 2.1
1С
О
Классы повреждения и
Еысьпання хбом
Хеоинки с большим числом черных и желтых пятен. На хеоннкзх нет суап участков 11
1С
с
Хеоинки с большим числом черных и желтых пятен. На ХЕ01ШКЭХ усох кончик 3.2
Хеоинки с большим числом черных и желгых пятен. Усохла I '3 хвоинки
1С
С
ХЕ01П1К11 с большим числом черных и жетых гштен. Вся или большая часть хеоинки сухая \4
Ск&Эр ПаКЮКОВСКИИ
Парк кыенн 1 Мал
Комеошжьскнй проспект
20
40
40
30
10
10
IV' - загрязненный
IV' - ягрязгнгннын
ул. Королева
ТРЦ "Планета"
Леруа Мерлгн
ул. 9 Мая
Е-отаккчгсккн бульвар
ал алых
Краеиаш
Светлогорский:
40
12
14
22
10
32
23
16
30
34
10
V - грязный
- очень грязный
- очень грязный
V - грязный
V - грязный
V - грязный
V - грязный
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Динамика ответных реакций биометрических параметров сосны обыкновенной позволяет оценить экологическое состояние и уровень деградации городской среды, а также пределы устойчивости растений к техногенному загрязнению. Соответствие основных параметров инвариантам устойчивости служит характеристикой их индивидуального роста и отражает степень экологического риска территорий. Данное положение рекомендуется использовать в мониторинге зеленых насаждений, а также для оценки риска загрязнения окружающей среды крупных промышленных центров Сибири. Научно обоснованная информация об условиях фитосреды позволит использовать виды растений, отвечающие ландшафтным условиям и техногенным нагрузкам, что повысит уровень устойчивости, долговечности и декоративности зеленных насаждений в городской среде.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Шумовская Д. А. Нормы озеленения современного города: мечты и реальность // Проблемы региональной экологии. 2000. № 2. С. 45--50.
2. Маслов Н. В. Градостроительная экология. М., 2001. 285 с.
3. Барайщук Г. В., Гайвас А. А. Состояние хвойных насаждений Омска // Лесное хозяйство. 2005. № 1. С. 33-34.
4. Авдеева Е. В. Зеленые насаждения городов Сибири : монография / СибГТУ. Красноярск, 2000. 150 с.
5. Авдеева Е. В. Рост и индикаторная роль древесных растений в урбанизированной среде : монография / СибГТУ. Красноярск, 2007. 382 с.
6. Якубов Х. Г. Экологический мониторинг зеленых насаждений Москвы. М. : ООО «Стагирит-Н», 2005. 264 с.
7. Информационно-аналитическая система «Управление качеством городских объектов озеленения». Модуль 1. Мониторинг состояния городских объектов озеленения / Е. В. Авдеева и др. // Хвойные бореаль-ной зоны. 2015. № 3-4. С. 89-95.
8. Авдеева Е. В. Информационно-аналитическая система «Управление качеством городских объектов озеленения». Модуль 2. Оценка качества городских объектов озеленения / Е. В. Авдеева и др. // Хвойные бореальной зоны. 2015. № 3-4, С. 96-102.
9. Неверова О. А. Применение фитоиндикации в оценке загрязнения окружающей среды // Биосфера. 2012. Т. 4, № 1. С. 82-92.
10. Михайлова Т. А., Бережная Н. С., Игнатьева О. В. Элементный состав хвои и морфофизиологические параметры сосны обыкновенной в условиях техногенного загрязнения / отв. ред. А. С. Плешанов. Иркутск : Изд-во Ин-та географии СО РАН, 2006. 134 с.
11. Биологический контроль окружающей среды: биоиндикация и биотестирование / под ред. О. П. Мелеховой. М. : Академия, 2007. 288 с.
REFERENCES
1. Shumovskaya D. A. Normy ozeleneniya sovremennogo goroda: mechty i real'nost' // Problemy regio-nal'noy ekologii. 2000. № 2. S. 45--50.
2. Maslov N. V. Gradostroitel'naya ekologiya. M., 2001. 285 s.
3. Barayshchuk G. V., Gayvas A. A. Sostoyaniye khvoynykh nasazhdeniy Omska // Lesnoye khozyaystvo. 2005. № 1. S. 33-34.
4. Avdeyeva E. V. Zelenyye nasazhdeniya gorodov Sibiri : monografiya / SibGTU. Krasnoyarsk, 2000. 150 c.
5. Avdeyeva E. V. Rost i indikatornaya rol' drevesnykh rasteniy v urbanizirovannoy srede : monografiya / SibGTU. Krasnoyarsk, 2007. 382 s.
6. Yakubov Kh. G. Ekologicheskiy monitoring zelenykh nasazhdeniy Moskvy. M. : OOO "Stagirit-N", 2005. 264 s.
7. Informatsionno-analiticheskaya sistema "Upravleniye kachestvom gorodskikh ob"yektov ozeleneniya". Modul' 1. Monitoring sostoyaniya gorodskikh ob"yektov ozeleneniya / E. V. Avdeyeva i dr. // KHvoynyye boreal'-noy zony. 2015. № 3-4. S. 89-95.
8. Avdeyeva E. V. Informatsionno-analiticheskaya sistema "Upravleniye kachestvom gorodskikh ob"yektov ozeleneniya". Modul' 2. Otsenka kachestva gorodskikh ob"yektov ozeleneniya / E. V. Avdeyeva i dr. // KHvoynyye boreal'noy zony. 2015. № 3-4, S. 96-102.
9. Neverova O. A. Primeneniye fitoindikatsii v otsenke zagiyazneniya okruzhayushchey sredy // Biosfera. 2012. T. 4, № 1. S. 82-92.
10. Mikhaylova T. A., Berezhnaya N. S., Ignat'yeva O. V. Elementnyy sostav khvoi i morfofiziologicheskiye parametry sosny obyknovennoy v usloviyakh tekhnogennogo zagryazneniya / otv. red. A. S. Pleshanov. Irkutsk : Izd-vo In-ta geografii SO RAN, 2006. 134 s.
11. Biologicheskiy kontrol' okruzhayushchey sredy: bioindikatsiya i biotestirovaniye / pod red. O. P. Me-lekhovoy. M. : Akademiya, 2007. 288 s.
© Авдеева Е. В., Панов А. И., 2017
Поступила в редакцию 25.07.2016 Принята к печати 28.12.2016
