Биоиндикация состояния урбанизированных территорий в аридных условиях (на примере города Астрахани) (стр. 1 )

На правах рукописи

ПИЛИПЕНКО ТАТЬЯНА АЛЕКСЕЕВНА

БИОИНДИКАЦИЯ СОСТОЯНИЯ УРБАНИЗИРОВАННЫХ ТЕРРИТОРИЙ В АРИДНЫХ УСЛОВИЯХ

(НА ПРИМЕРЕ ГОРОДА АСТРАХАНИ)

(биологические науки)

АВТОРЕФЕРАТ

кандидата биологических наук

Астрахань 2008

Работа выполнена в Астраханском государственном университете

Научный руководитель:	доктор биологических наук, профессор кафедры биологии и экологии растений Астраханского государственного университета
Официальные оппоненты:	доктор биологических наук, профессор Астраханского государственного университета
	доктор биологических наук, профессор, зав. кафедрой ботаники и зоологии Астраханского государственного технического университета
Ведущая организация:	Калмыцкий государственный университет

Защита состоится «06» ноября 2008 г. в 12-00 часов на заседании диссертационного совета ДМ 212.009.10 при Астраханском государственном университете г. Астрахань, пл. Шаумяна 1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Астраханского государственного университета

Автореферат разослан «__» ________2008г.

Ученый секретарь диссертационного

совета, доктор биологических наук,

доцент

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность исследования. Возрастание антропогенного воздействия на окружающую среду приводит к негативным изменениям структуры, продуктивности и функционирования экосистем и биосферы в целом. Особое значение приобретает информация об уровнях загрязнения, характере и интенсивности ответной реакции биологических объектов на влияние токсикантов. Поэтому целесообразным становится поиск биологических индикаторов отклонений в экосистемах (Биоиндикация.., 1993).

В условиях высокой плотности городского населения, интенсивного загрязнения урбосреды промышленными предприятиями и автотранспортом, особо важными становятся пути оптимизации среды обитания человека. Для улучшения ситуации в современном городе, наряду с решением многих насущных проблем жилого фонда, транспорта, особую важность приобретает формирование комплексной системы озеленения городских территорий.

Компоненты системы озеленения современного города - не только эстетически ценная инфраструктура, но и фактор оздоровления окружающей среды, вносящий вклад в очистку воздуха от загрязнителей, обогащение его кислородом и фитонцидами. Достаточно крупные по площади зеленые зоны и парки могут выступать в качестве рефугиумов для многих видов местных растений, в том числе охраняемых, и даже животных достаточно толерантных к условиям городской среды. С другой стороны, территория зеленых зон и парков города, в разной степени подверженная рекреационному прессу и загрязнению среды, может использоваться в качестве полигона биологического мониторинга, необходимого дополнения физико-химическому контролю качества городской среды. Оценка состояния городских насаждений важна как для отслеживания изменений качества условий урбосреды, так и сама по себе, давая возможность своевременной помощи зеленым насаждениям.

Цель работы: критическая экспериментальная оценка возможностей использования высших растений в контроле качества урбосреды для комплекса природно-климатических условий аридной зоны (на примере г. Астрахани), разработка принципов организации системы лихеномониторинга для определения техногенного загрязнения городской среды.

Для достижения были поставлены задачи:

1. изучить экологические особенности городской среды для биомониторинга;

2. выявить основные факторы, определяющие пространственную гетерогенность урбосреды;

3. разработать принципы организации системы лехеномониторинга;

4. провести исследование тяжелых металлов в комплексе почва – растение - лишайники в условиях урбосреды;

5. изучить влияние урботерриторий на биологические объекты;

6. изучить онтогенез и структуру популяции лишайника Xanthoria parietina (L.) Th. Fr. в различных экологических условиях.

Научная новизна.

- В результате проведенных исследований впервые выявлены основные факторы, определяющие пространственную гетерогенность урбосреды, изучено использование высших растений в качестве фитоиндикаторов и возможность их применения в контроле техногенного загрязнения.

- Проведен сравнительный анализ накопления тяжелых металлов в комплексе почва – растения – лишайники.

- Дана оценка воздействия атмосферного воздуха на трансплантированные талломы лишайников г. Астрахани.

- Впервые концепция дискретного описания онтогенезов семенных растений, предложенная (1950), (1975) и его учениками (Ценопопуляции.., 1976, 1977, 1988; Суетина, Жукова, 1997, 1998), применена для описания онтогенеза листоватого лишайника Xanthoria parietina для города Астрахани.

Научно-практическая значимость

- Полученные результаты могут быть использованы в практической деятельности природоохранных организаций.

- Проведенные исследования по изучению трансплантации лишайников использовались для оценки воздействия атмосферного воздуха на новые, возможно, экстремальные для них условия, и выявления индикаторных видов.

- Исследования накопления тяжелых металлов в комплексе почва – растения – лишайники, могут быть использованы при оценке качества состояния окружающей природной среды Астраханской области.

- Материалы по популяционно-онтогенетическим исследованиям могут быть применены в лихеноиндикационных целях.

- Результаты исследования внедрены в учебный процесс: при чтении лекций и на практических занятиях по курсам «Низшие растения и грибы», «Экология», «Экологии и географии растений», спец. курса «Знакомство с местными экосистемами», «Охрана окружающей среды», разделах Большого практикума «Лихенология» и «Лихеноиндикация», на учебно-полевых практиках в Астраханском государственном университете.

Основные положения, выносимые на защиту

- Проблемы биоиндикации

- Использование высших растений в качестве фитоиндикаторов

- Влияние тяжелых металлов на окружающую среду в комплексе почва-растения-лишайники

- Результаты наблюдений за трансплантированными талломами лишайников

- Влияние урботерриторий на биологические объекты

- Предложенная концепция дискретного описания онтогенеза Xanthoria parietina может быть использована для описания полного онтогенеза апотециальных листоватых лишайников.

- Приспособленность популяции Xanthoria parietina в условиях возрастающей степени аэротехногенного загрязнения проявляется в частичной элиминации наименее толерантных генеративных особей, что приводит к изменению возрастной структуры популяции.

Апробация работы:

Основные результаты диссертации доложены на Всероссийских и Международных конференциях, среди которых: Всероссийские и Международные конференции, проводимые Астраханским государственным университетом (Астрахань, 2007, 2008). На Областной научно-практической конференции по «Актуальным проблемам дошкольного и начального образования и пути повышения компетентности педагогических кадров» (Института усовершенствования учителей, Астрахань, 2003). На VIII Международной конференции «Биологическое разнообразие Кавказа», Нальчик, 2006 г.; на Международной конференции «Россия - Восток» Астрахань, 2005; на Международной научно-практической конференции, посвященной 75-летию АГУ «Экология биосистем: проблемы изучения, индикации и прогнозирования» АГУ, 2007.

В целом диссертация доложена на расширенном научном семинаре кафедр биологии и экологии растений, почвоведения Астраханского государственного университета (Астрахань, 2008).

Обоснование научных положений, выводов и рекомендаций.

Полученные научные положения и выводы диссертации являются результатом исследования, проведенных на базе кафедры биологии и экологии растений Астраханского государственного университета с использованием необходимого оборудования, современной компьютерной техники и программного обеспечения.

Выводы основаны на результатах мониторинговых наблюдений, рекомендации апробированы и внедрены в практику работы вуза.

Личный вклад автора. Работы выполнены в соавторстве и включенные в диссертацию, включают теоретическое обоснование проблем, выбор общего направления исследований городских насаждений, личное участие в экспедициях и экспериментах.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 17 работ, в том числе 1 монография, 2 статьи в лицензированных журналах ВАК, 14 статей и докладов в материалах международных и российских конференций.

Объём и структура диссертации. Работа изложена на 137 страницах компьютерного текста, содержит 10 рисунков, 19 таблиц. Диссертация состоит из введения, 6 глав, выводов, библиографического списка, приложения.

ГЛАВА I. ЭДАФО-КЛИМАТИЧЕСКИЕ УСЛОВИЯ Г. АСТРАХАНИ И

ДЕЛЬТЫ ВОЛГИ

Город Астрахань расположен в верхней части дельты Волги, которая в свою очередь расположена на юге-востоке Восточно-Европейской равнины в пределах Прикаспийской низменности. Город Астрахань расположен в пределах северной и центральной дельты Волги. Площадь ее составляет 162,98 км2, население 570 тыс. человек (Атлас Астраханской..., 1997).

Город Астрахань расположен в нескольких ландшафтных зонах: 1) пустынная зона - на территории Западного ильменно-бугрового ландшафта и Волжско-Приергенинского ландшафта, 2) внутризональная ландшафтная зона - на территории Дельтового ландшафта. Значительная часть города расположена в дельте Волги.

Основная часть города находится в пределах центральной части дельты. Она состоит из островов, разделенных водотоками различной ширины. Основой островов, их каркасом, служат своеобразные повышения - бугры Бэра. Большую роль в изучении бугров сыграл (1856).

Современная Астрахань была освоена на высоком Бэровском бугре, называвшемся (по имени острова, на котором он располагался) Заячьим. Центральная часть города расположена на самой высокой поверхности этого бугра. Дальнейшее расширение города также проходило по вершинам бугров: Парбичева, Садового, Рождественского.

Северная часть города отделена от центральной рукавом Болда.

Правобережье города расположено в пределах Западной ильменно-бугровой равнины. Здесь доминируют бэровские бугры и межбугровые понижения.

На северо-западе к границам города подступают Приволжские пески (Астраханские) - песчаные гряды высотой до 4-6 м, закрепленные полупустынной растительностью.

Характерная особенность территории города - близкое к данной поверхности залегание подземных вод.

Материнские породы средней части дельты реки Волги представляют собой сложную вертикальную и горизонтальную мозаику речных, дельтовых, морских отложений (Рачковская, 1961; Николаев, 1962).

В средней части дельты, где расположен город, многочисленны характерные положительные формы рельефа - бэровские бугры. Они представляют собой вытянутые с запада на восток до 1-2 км овальные холмы, ширина которых колеблется от 80 до 300 м, а высота над окружающей равниной до 10-15 м. Между этими холмами расположены равнинные участки или межбугровые понижения, нередко занятые водоемами.

Вся территория дельты Волги, и собственно г. Астрахань лежат ниже уровня Мирового океана (побережье Каспийского моря - 27 м).

Климат г. Астрахани умеренный, резко континентальный - с высокими температурами летом, низкими - зимой, большими годовыми и летними суточными амплитудами температуры воздуха, малым количеством осадков и большой испаряемостью.

Микроклимат дельты уменьшает климатические контрасты пустыни в городе. Безморозный период на побережье на 15-30 дней длиннее, чем в вышележащей части дельты. Повышенное увлажнение и растительный покров повышает температуру поверхности почвы; с глубиной эти различия сглаживаются (Ишерская, 1953; «Агроклиматические ресурсы...», 1974).

Значительные отклонения температуры воздуха, осадков от многолетних средних значений связаны с аномальным развитием западной формы атмосферной циркуляции, при которой в последнее десятилетие влажные теплые воздушные массы влияют на погоду дельты Волги. Тенденция общепланетарного повышения температуры воздуха четко прослеживается в г. Астрахани.

Основными типами почв нижневолжской долины являются:

1) аллювиальные дерновые насыщенные;

2) аллювиальные луговые насыщенные;

3) солончаки гидроморфные;

4) аллювиальные болотные иловато-перегнойно-глеевые;

5) аллювиальные дерново-опустынивающиеся карбонатные;

6) бурые полупустынные.

ГЛАВА II. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ

Исследования высших растений проводили методом организации системы фитомониторинга, включающую выбор модельных насаждений для сбора информации.

При исследовании город - заповедник использовали метод трансект и модельных площадок (Куранов, 1989).

Исследования лихенобиоты проводились на основе оригинальных материалов, собранных автором в годах, в рамках основной тематики кафедры биологии и экологии растений Астраханского государственного университета.

Маршрутно-стационарным методом на пробных площадях, помимо состава лихенобиоты, изучалось распространение и приуроченность различных групп лишайников к основным типам растительных сообществ и субстратов. В пределах изучаемой территории обследовались различные экотопы.

При учете покрытия лишайников-эпифитов использовали:

1) гибкую ленту с мерными делениями, покрытие выражается в процентах от длины окружности.

2) сеточки-рамки, метод общепринят в лихенологии (Инсаров, Пчелкин, 1983). Размеры сеточек могут быть различными: редко - 5x10 см (Аблаева, 1981), наиболее часто - 10x10 см, или 20x20 см (Голубкова, Малышева, 1978;Горшков, 1986 Лийв, 1984 и др.);

3) метод определения покрытия на большой площади ствола. За площадь описания может приниматься вся поверхность ствола от основания до высоты 2,5 м. (Kiszka, 1984), или полоса на определенной высоте ствола шириной 60 см на высоте от 1,1 до 1,7 м. (Hoffman et al., 1991), или 40 см на высоте от 1,2 до 1,6 м. (Giralt et al., 1989). В таких случаях покрытие вычисляют по 6-балъной шкале Браун-Бланке (Braun-Blanquet, 1965), или пятибальной (Giralt et al., 1989).

На загрязнённых территориях покрытие лишайников оценивали с применением сеточек-рамок.

Покрытие каждого вида лишайника определяли на высоте 1,5 м с северной, западной, южной, восточной экспозиций на площадке 100 см2, используя сеточку 10х10см на отдельно стоящих деревьях. Отмечали присутствие видов лишайников, обнаруженных вне сеточки от основания ствола до высоты 2 м.

Система мониторинга.

Учет проводили на пунктах постоянного учета (ППУ), расположенных в центрах пересечения координат биоиндикационной сети, представляющей собой квадраты со сторонами 2.3 км. Центр ППУ подбирали не далее 0.5 км от пересечения координат и не ближе 35 м от края таксационного выдела, выхода из лесопарка, дороги, линии электропередач. В каждом ППУ закладывали 4 точки учета (ТУ) по направлениям сторон света на расстоянии 25 м от центра. От центра каждой ТУ измеряли расстояние до шести ближайших деревьев. У каждого учетного дерева определяли породу, возраст (по косвенным признакам) окружность на высоте 1,3 м, диаметр, высоту, категорию жизненного (санитарного) состояния (по Санитарным правилам в лесах РФ), отмечали повреждение и их представленность в баллах. Проводили полный пересчет всех деревьев 1, 2 яруса по категориям состояния и элементам деревьев на пробной площади, ограниченной центром ТУ (площадь до 1250 м2).

На каждой ТУ в месте, наиболее типичном по живому напочвенному покрову, откапывали прикопку глубиной 0,5 м и определяли гранулометрический состав генетических горизонтов и их мощность.

Определение лишайников проводили по традиционной в лихенологии методике, в основе которой лежит анатомо-морфологический метод и применение реактивов (Определитель…,1974).

Лихеноиндикация. В парках г. Астрахани (Тинаки 1, Тинаки 2) на среднем дереве каждой ТУ на коре дерева на высоте груди (1,5 м) замеряли с помощью мерной ленты отрезки, занятые видами макролишайников (листоватых и кустистых), собирали образцы лишайников для последующего камерального уточнения их видовой принадлежности.

Для каждого ППУ рассчитывали модифированный индекс I.A.P. – индекс атмосферной чистоты (Index of Atmosphere Purity), используемый в ряде работ (Le Blanc, DeSloover, 1970; Трасс, 1987; Yerzig, Urech, 1991; Инсаров, Пчелкин, 1983; Малышева, 1998, 2003; Бязров, 2002, Пилипенко, Закутнова 2004 и др.).

n

I. A.P. = Σ (Qi. Ci)/10

i=1

где Qi – экологический индекс i-ого вида, показывающий чувствительность вида к загрязнению атмосферы (принимает значения от 1 до 10), Ci – средний балл проективного покрытия i –ого вида на 4 учетных деревьях ППУ в % (принимает значения от 0 до 100), n – количество видов лишайников. Индекс I. A.P. – может принимать значения от 0 до 100.

ППУ распределяли по индексу I. A.P. (чистоты атмосферы) по зонам загрязнения следующим образом:

1) Зона критического загрязнения - I. A.P. = 0. эпифитные макролишайники на коре на высоте 1,5 м практически отсутствуют.

2) Зона относительно высокого загрязнения – 0,1 < I. A.P.<6. Эпифитные лишайники на коре деревьев встречаются в очень малом количестве.

3) Зона средней степени загрязнения – 6,1 < I. A.P.<12. Эпифитные лишайники находятся под сильным влиянием атмосферного загрязнения.

4) Зона относительного слабого загрязнения – 12.1< I. A.P.<25 .

Если средний индекс чистоты атмосферы по 30 ППУ составляет 2,2, то это соответствует зоне высокого загрязнения.

Оценка жизненности древостоев старых парков. По данным перечетов деревьев по категориям жизненного (санитарного) состояния на ПП рассчитывается как средневзвешенная по запасу категория состояния насаждения (I):

n

I = Σ Ki.Ii/100

i = 1

где Ki – доля в запасе i-ого элемента леса (%); Ii – его категории состояния (балл); n – количество элементов леса.

Аналогичные выводы можно сделать по результатам перечетов деревьев на ПП по породам и категориям состояния. Можно установить тесную корреляцию (R = 0,84) между категориями состояния, определенными на ТУ по количеству деревьев 1-3 классов Крафта, и категориями состояния, полученными по данным перечетов всех деревьев на ПП.

Зонирование исследуемой территории проводили по лихеноиндикационным индексам, отражающим изменения во всем эпипокрове – индекс атмосферной чистоты – I.A.P. Ле Блана - Де Слувера (Le Blanc, De Sloover,1970) и индекс полетолерантности - Трасса (Trass,1968, 1973: Трасс,1968,1971).

I.A.P. – сумма произведений встречаемости – покрытия и экологического индекса, отражающего чувствительность каждого вида из группировки к загрязнению воздуха.I.A.P. (индекс атмосферной чистоты Le Blanc, De Sloover, 1970) вычисляется по следующей формуле

(1)

n - количество видов;

Qi - экологический индекс определенного вида.

Показатель Q характеризует среднее количество видов, сопутствующих данному виду на всех пунктах описания.

fi - показатель покрытия-встречаемости, определяемый по 5-бальной шкале:

1 - вид встречается очень редко и с очень низким покрытием,

2 - вид встречается редко или с низким покрытием,

3 - вид встречается редко или со средним покрытием на некоторых стволах,

4 - вид встречается часто или с высоким покрытием на большинстве стволов,

5 - вид встречается очень часто или с очень высоким покрытием на большинстве стволов.

Индекс полеотолерантности – взвешенное арифметическое среднее степеней полеотолерантности видов, составляющих группировки лишайников, определяемый по формуле:

, где (2)

n — количество видов на площадке описания;

а i- степень (класс) полеотолерантности видов;

Ci - покрытие вида;

Cin - суммарное покрытие видов.

Шкала покрытия 10-бальная (I - покрытие 1 - 10%, II - покрытие 11- 20% и т. д.).

Оценка полеотолерантности дается по 10-бальной шкале (1 - очень чувствительные виды, 10 - очень выносливые виды), предложенный (Трасс, 1985).

По величине индекса I.A.P. и с учетом распространения индикаторных видов выделено 3 зоны загрязнения и 1 зона чистого воздуха. Величина I.А.P. воздуха на территории г. Астрахани были скоррелированны со среднегодовыми концентрациями диоксида серы в воздухе.

Для трансплантации лишайников выбирали неповрежденные экземпляры лишайников, одинаковые по размерам и состоянию развития. Все отобранные лишайники располагали рядом и увлажняли, затем просматривали сырые талломы, просматривали и отбраковывали талломы с дефектами, т. е. такие, цвет которых в водонасыщенном состоянии не зеленый. Предпочтение отдавали более крупным экземплярам. Для экспонирования лишайников использовали специальные деревянные щиты. Описание наблюдений за состоянием пересаженных талломов дается в отдельной главе (5.6).

Определение тяжелых металлов в растениях и почве было проведено с помощью атомно-абсорбционного спектрофотометра на кафедре физической химии АГУ, а также на областной станции химизации.

Для описания онтогенеза образцы Xanthoria parietina были собраны в гг. с деревьев Salix alba в г. Астрахани и Астраханском государственном биосферном заповеднике. При выделении онтогенетических состояний учитывались качественные морфологические и анатомические признаки, а также ряд количественных параметров.