Главная

Исследовательские группы

Научно-практический журнал
Хвойные бореальной зоны
(в перечне ВАК)

Введение
Индустриально – техногенная среда, возникшая вокруг крупных промышленных центров, вызвала к жизни новое направление в ботанической науке – промышленную ботанику, которая призвана с помощью растений оптимизировать окружающую среду.
С этой точки зрения первоочередной задачей является выявление степени и характера повреждения древесных видов среди местной и интродуцированной флоры, и широкое внедрение их в практику зеленого строительства. Исследованиям по газоустойчивости растений  в европейской части России посвящен ряд работ [1–4]. Для регионов Сибири этот вопрос исследован недостаточно. Научно – обоснованное конструирование взаимоотношений между уровнем индустриализации и живой природой невозможно без понимания механизмов устойчивости растений к промышленному загрязнению. Поэтому особенно остро стоит задача изучения механизмов газоустойчивости и подбора газоустойчивого видового состава растений [5].  С этой точки зрения  подбор газоустойчивого видового ассортимента растений для озеленения г. Красноярска возможен только после проведения  соответствующих исследований над древесными растениями, учитывая специфические экологические и физико-географические условия жилых и промышленных зон города.
Основными загрязнителями атмосферы, на которые чутко реагируют растения в условиях урбоэкосистем, являются газообразные вещества и аэрозоли, выбрасываемые промышленными предприятиями различных отраслей. Взвешенные частицы, поступающие в атмосферу, чаще всего состоят из несгоревших частиц угля, золы,  сульфатов металлов, кремнезема, хлоридов, соединений натрия, фосфора. В состав жидких аэрозолей входят пары кислот.
Уровень загрязнения атмосферы города Красноярска характеризуется как «очень высокий». Преобладающий вклад в величину уровня загрязнения атмосферы г. Красноярска вносят высокие среднегодовые концентрации бензаперена, формальдегида, сероуглерода, оксида углерода, диоксида азота, фенола, фтористого водорода, аммиака, бензола, ксилола, толуола и взвешенных веществ [6]. Содержание многих вредных веществ в атмосфере города превышает предельнодопустимые концентрации (ПДК) в несколько раз. Так, содержание взвешенных частиц, сероводорода, диоксида азота, оксида углерода, хлористого водорода, формальдегида, бензола, толуола превышало ПДК в 5 – 10 раз [6]. Основными источниками загрязнения являются предприятия теплоэнергетики, металлургии, дерево-обработки, химической промыш-ленности, автотранспорт.
Целью настоящих исследований явилось изучение влияния техногенной среды на функционально-структурные особенности различных видов древесных растений в условиях промышленной зоны города Красноярска и его окрестностей.
Объекты и методы исследования.
В качестве объектов были исследованы береза повислая (Betula pendula), клен ясенелистный (Acer negundo), рябина сибирская (Sorbus aucuparia), сирень венгерская (Syringa josikaea), вяз приземистый (Ulmus pumila), яблоня сибирская (Malus baccata), лиственница сибирская (Larix sibirica), черемуха Маака (Padus Maakii), карагана древовидная (Caragana arbarescens), липа мелколистная (Tilia cardata). 
Были заложены пробные площади в различных районах г. Красноярска, характеризующихся различной степенью экологического загрязнения: в Академгородке, Центральном районе на набережной р. Енисей, возле ДК ЦБК, КГУ, ДК КРАЗа, КрасТЭЦ, Красмаша, по ул. 60 лет октября Свердловского района. В зависимости от характера и интенсивности источников антропогенного воздействия пробные площади характеризовались как «слабой», «сильной» и «средней» степени экологического загрязнения.
В качестве показателей характеризующих состояние растений использовали повреждаемость листьев в процентах от общей площади листовой поверхности, интенсивность фотосинтеза, водоудерживающую способность листьев, размеры и количество устьиц на 1мм2 листовой поверхности,  динамику степени  открытости устьиц и биометрический метод. В качестве биометрических показателей использовали: длину годичных отрезков боковых побегов, сухой вес годичных отрезков боковых побегов, количество листьев на годичных отрезках боковых побегов,  среднюю площадь  листа, сухой вес листьев.
Экспериментальные исследования.
В процессе приспособительной эволюции растения выработали свойства, позволяющие им осуществлять нормальную жизнедеятельность в различных неблагоприятных и порой экстремальных условиях существования. Они касаются, прежде всего, структуры и функции ассимиляционного аппарата. Изучение структуры и функции растений на уровне органов - необходимая и важная задача экологической фитофизиологии. С этой точки зрения весьма информативным является исследование анатомо-морфологической структуры листьев у растений, произрастающих в условиях загрязнения.
Проведенные нами анатомо-морфологические исследования ассимиляционного аппарата у видов, произрастающих в различных экологических условиях, выявили зависимость между количеством устьиц на 1 мм2 листовой поверхности и степенью загазованности атмосферы. В экологически неблагополучной среде наблюдалось увеличение количества устьиц и уменьшение их размеров у всех исследованных видов древесных растений.
В условиях «сильного» антропогенного воздействия, количество устьиц возросло: у яблони сибирской – в 1,4 раза; у караганы древовидной – в 2,4 раза; у липы мелколистной и у рябины обыкновенной –  в 1,2 раза; у сирени венгерской – в 1,7 раз; у клена ясенелистного – в 2,4 раза, у лиственницы сибирской, черемухи Маака и березы повислой – в 1,8, 1,7 и 1,3 раза соответственно. Анализ результатов исследования размеров устьиц показал, что по мере увеличения загазованности атмосферы размеры устьиц у  исследованных пород уменьшаются (таблица 1).
Так, по сравнению с контролем, размеры устьиц растений, произрастающих в промышленных зонах, уменьшились у рябины обыкновенной, яблони сибирской и сирени венгерской – в 1,3 раза, клена ясенелистного – в 1,6 раза, караганы древовидной – в 1,25 раза, липы мелколистной – в 1,1 раз. Выявленная закономерность характеризует  адаптационные возможности  растений к условиям загрязнения, причем, чем устойчивее вид, тем больше показатель пластичности. На основании приведенных анатомических исследований листьев, вышеперечисленные породы по степени снижения устойчивости можно расположить в следующей последовательности: клен ясенелистный, карагана древовидная, лиственница сибирская, сирень венгерская, черемуха Маака, яблоня сибирская, береза повислая, рябина обыкновенная, липа мелколистная.
Большое значение для газоустойчивости растений имеет также суточная динамика раскрывания устьиц и степень чувствительности устьичного аппарата к изменению экологических факторов. Нами показано, что у клена ясенелистного, вяза приземистого, сирени венгерской устьица в течение дня открыты менее продолжительно по времени, причем степень их открытия, определенная по методу Молиша и методом отпечатков  [7] почти не зависела от условий произрастания [8]. Другая зависимость наблюдалась у рябины обыкновенной, яблони сибирской, липы мелколистной и березы повислой.

Таблица 1 – Размеры устьиц (мкм.)  некоторых древесных пород

Вид растения	Степень загрязнения пробной площади				V,%	P,%	t х ,%
Sorbus aucuparia	слабая	64.62	±3.16	0.63	4.88	0.98	102.37
	средняя	53.91	±2.92	0.58	5.42	1.08	92.34
	сильная	46.52	±2.93	0.58	6.29	1.26	79.48
Sуringa josikaea	слабая	63.44	±8.92	1.78	14.0	2.81	35.62
	средняя	48.71	±3.84	0.77	7.88	1.58	63.45
	сильная	50.12	±2.99	0.60	5.96	1.19	83.86
Acer negundo	слабая	43.02	±2.09	0.42	4.86	0.97	102.88
	средняя	29.94	±0.40	0.08	0.27	1.36	366.44
	сильная	27.25	±2.21	0.44	8.12	1.62	61.60

Примечание:  - средняя арифметическая,- среднее квадратическое отклонение,  -  основная ошибка средней величины, V - коэффициент  вариации, P - точность опыта, t х – достоверность.

У них степень открытости показала обратнопропорциональную зависимость от степени загазованности атмосферы. На основании этого можно предположить, что виды с большим числом мелких устьиц на 1 мм2 способны лучше регулировать степень их открытия, а следовательно и газообмен.
После работ Н.А. Максимова среди физиологов укрепилось представление о важной роли в устойчивости растений водоудерживающих сил и способности переносить обезвоживание.
Нами была определена скорость потери воды срезанными листьями исследованных растений. Для определения водоудерживающей способности  листья быстро взвешивали на торзионных весах, затем раскладывали их на столе. Взвешивание повторяли через 1, 2, 3, 24 часа. Рассчитывали скорость потери воды  листьями за указанные интервалы времени. Во всех случаях наблюдалась меньшая скорость потери воды листьями у особей, произрастающих вблизи промышленных предприятий. Так, водоудерживающая способность у караганы древовидной, яблони сибирской, березы повислой, липы мелколистной и лиственницы сибирской увеличилась в 2,4, 1,9, 1,8, 1,5, 1,2 раза по сравнению с контролем соответственно. Чем больше водоудерживающая способность листьев, тем более устойчивым оказался вид к экологическому загрязнению. Исключение в данном случае составила лиственница сибирская, но это связано со  структурно-морфологическими особенностями фотосинтетического аппарата у хвойных, отличающихся низкой интенсивностью транспирации. Таким образом, полученные методом завядания показатели характеризуют способность растений путем закрывания устьиц в неблагоприятных условиях регулировать не только потерю воды, но и газообмен, а, следовательно, и поглощение вредных газов. Полученные данные  можно интерпретировать как результат экологической адаптации растений к условиям произрастания.
Любые неблагоприятные условия  снижают общую продуктивность растений в насаждениях, поэтому в работе проведено изучение ряда биометрических показателей деревьев (таблица 2).
Результаты эксперимента показали, что в районах с интенсивным загрязнением снижаются: накопление органического вещества побегами и листьями, площадь листовой пластинки и количество листьев на побеге. Причем, степень повреждения зависит от газоустойчивости вида.
У неустойчивого вида – яблони сибирской в условиях интенсивного загрязнения накопление органического вещества  побегами и листьями снизилось в 3,2 и 1,6 раз соответственно.                                                                          
У более устойчивых видов – сирени венгерской и черемухи Маака те же показатели  снизились в 1.3, 1.2 и 1.2, 1.4 раза соответственно.
Накопление органического вещества растущими листьями березы повислой и яблони сибирской, характеризующее интенсивность фотосинтетических процессов показало заметное отставание особей, произрастающих в экологически неблагополучных условиях.

Таблица 2 – Биометрическая оценка состояния некоторых древесных растений  в зеленых насаждениях

Вид растения	Степень загряз - нения пробной площади	Средняя длина годичного побега, см	Сухой вес  годичных побегов, г	Количество листьев на побеге, шт.	Средняя площадь  листьев, см?	Сухой вес 5 листьев, гр.
Malus sibirica	Сильная	18±3,7	6,3±0,5	11,3±1,1	22,5±0,3	0,9±0,03
	Средняя	19±3,1	8,5±0,6	12,3±0,3	20,5±0,8	0,51±0,02
	Слабая	20±3,08	19,9±2,1	13,3±0,7	32,0±4,1	1,39±0,02
Syringa josicaea	Сильная	17±3,0	7,34±0,59	8,7±1,17	20,2±1,4	1,71±0,07
	Средняя	18±7,7	7,38±0,25	7,6±0,51	48,6±1,2	1,2±0,03
	Слабая	19±4,3	9,19±0,5	8,9±0,3	35,6±1,1	1,95±0,01
Padus maackii	Сильная	18±3,05	3,0±0,16	12,8±0,97	24,5±0,8	1,12±0,02
	Средняя	19±5,4	3,2±0,1	14,2±1,05	19,4±0,8	0,72±0,02
	Слабая	20±1,58	3,49±0,27	10,7±0,6	30,2±0,7	1,53±0,04

Так, накопление органического вещества листьями березы повислой составило 72% от контроля, яблони сибирской – 76%, караганы древовидной – 85%, липы мелколистной – 67%, сирени венгерской – 88% [9].
Таким образом, результаты проведенных исследований позволяют сделать вывод, что размер и количество устьиц на 1мм2 листовой поверхности, динамика их открытости в различное время суток, водоудерживающая способность срезанных листьев и динамика накопления органического вещества вегетативными органами растений могут служить достоверными показателями газоустойчивости исследованных видов древесных пород.
Проведенные экспериментальные данные по изучению адаптационной способности некоторых видов древесных растений, относящихся к местной и интродуцированной флоре, используемой в озеленении города Красноярска, позволит положить их в основу практических рекомендаций по  озеленению крупных промышленных центров Сибири.
Библиографический список

• Николаевский, В.С. Биологические основы газоустойчивости растений. – Новосибирск: Наука, 1979. – 280 с.
• Барахтенова, Л.А., Николаевский В.С. Влияние сернистого газа на фотосинтез растений / Л.А. Барахтенова,  В.С. Николаевский. – Новосибирск: Наука, 1988. – 86 с.
• Сергейчик, С.А.  Древесные растения и оптимизация промышленной среды / С.А. Сергейчик. – Минск: 1984.
• Гетко, Н.В. Растения в техногенной среде: структура и функция ассимиляционного аппарата / Н.В. Гетко – Минск: Наука и техника, 1989. – 208 с.
•  Иншаков, Е.М. Рекомендации ассортимента растений при создании дендрария на о. Татышев г. Красноярска / Иншаков Е.М., Сунцова Л.Н. // Непрерывное экологическое образование и экологические проблемы.  Всероссийская научно-практическая конференция: сб. ст. –  Красноярск, 2005. – С. 43 – 45.
• О состоянии и охране окружающей среды Красноярского края в 2001 году: Гос. доклад/. – М.: НИА-Природа:РЭФИА, 2003. – 224 с.
• Сунцова, Л.Н. Физиология растений: Учебное пособие по выполнению курсовых работ / Л.Н. Сунцова, Е.М. Иншаков  – Красноярск: СибГТУ, 2006. – 132 с.
• Сунцова, Л.Н. Диагностика состояния и фенология  древесных растений в условиях г. Красноярска / Сунцова Л.Н., Иншаков Е.М. // 2-я Всероссийская научно-практическая конференция – выставка «Проблемы экологии и развития городов»: сб. ст. – Красноярск, 2001. – С.47 –52
• Сунцова, Л.Н. Обследование насаждений древесных растений в различных районах города Красноярска / Сунцова Л.Н., Иншаков Е.М. // Т.1: Всероссийская научно-практическая конференция «Лесной и химический комплексы – проблемы и решения»: сб. ст. – Красноярск, 2005. – С. 42–45.