Главная

Исследовательские группы

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

Введение

Условия произрастания древесных растений в городе существенно отличаются от естественных. На их развитие сказывается влияние многих негативных атмосферных факторов, таких как: несвойственные им паро- и газообразные примеси, структура насаждений, иное физическое и микробиологическое сопровождение. В загрязненных зонах значительно изменяются фоновые концентрации химических компонентов, инсоляция, температура. Серьезные отличия условий произрастания отражаются на метаболизме растений, прежде всего ассимиляционного аппарата, проявляются в его морфометрических показателях и компонентном составе.
Загрязнение атмосферы некоторых районов г. Красноярска исследовали по изменчивости морфометрических размеров и химических компонентов хвои ели сибирской – одной из весьма чувствительных к эмиссии древесных растений. Состояние ее ассимиляционного аппарата определяется неспецифичностью, общим загрязнением атмосферы (Захаров, 2000). Известно, что их воздействие вызывает сокращение продолжительности жизни хвои и изменяет ее морфометрические показатели – длину, ширину и толщину (Приступа, Мазепа, 1987; Николаевский, 1978). Загрязненность атмосферы, ее запыленность отражаются на влажности хвои и компонентом составе (Черненькова, 1986).
Сокращение прироста, изреживание кроны, усыхание ветвей в ее верхней части и подобные признаки дают возможность судить о загрязнении атмосферы, то есть осуществлять биоиндикацию среды (Braekke, 1996; Helmisaary, 1990; Huttunen, 1985; Tikkanen, 1990/1991).

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИСЛЕДОВАНИЙ

Высокая чувствительность к поллютантам и возможность круглогодичного наблюдения делает ассимиляционный аппарат ели сибирской удобным индикатором для оценки состояния воздушной среды городских зон. При проведении исследований в разных районах г. Красноярска выбрано 13 и в лесных массивах в 30-70 км от краевого центра, в стороне от господствующих ветров, еще 3 участка молодняка ели сибирской. Охвоенные побеги для исключения индивидуальной изменчивости отбирали в середине кроны с 10-12 деревьев 15-20-летнего возраста в течение двух лет в сентябре, в период их подготовки к состоянию покоя.
При подготовке пробы отделенную от стволиков хвою 1, 2 и 3 года жизни раздельно измельчали до размеров 3-5 мм и в аппаратах Клевенджера из нее отгоняли эфирное масло. Его выход определяли волюмометрически с учетом влажности сырья. Компонентный состав анализировали методом ГЖХ на набивных колонках.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Оценка загрязнения воздушной среды зон города непосредственно по размерам хвои экспрессна, но недостаточно оправдана. Так, длина хвои 2- и 3-го годов некоторых весьма загрязненных участков и лесного фонового отличается незначительным образом (табл. 1).
Для хвои ели отмечается закономерность, согласно которой размеры хвои 2-го года на 15-20, а 3-го года на 20-30 % больше первого года жизни. Спецификой городских посадок является, как правило, снижение длины и толщины последнего по сравнению с контролем. Для ширины такая зависимость не всегда наблюдается: в некоторых случаях она не меньше фоновой. Подобные изменения наблюдали и другие авторы (Приступа, Мазепа, 1987) при изучении произрастания сосны обыкновенной в техногенных условиях. По-видимому, положительный эффект, обусловленный повышением температуры и содержания СО2 в городе, не компенсирует снижения интенсивности солнечной радиации, ингибиторов роста и других негативных факторов.
Во второй и третий годы жизни темпы роста показателей хвои в городских условиях выше, чем в лесу. На городских участках ее прирост в длину и ширину на 2- и 3-ем году происходит в 2,5-3 раза, а в ширину – в 1,5 раза быстрее, чем в лесном массиве.
Превышение роста хвои в длину и толщину по сравнению с шириной отмечается при загрязнении воздушной среды сосновых фитоценозов (Приступа, Мазепа, 1987). По-видимому, это можно объяснить адаптацией растений к местным условиям и некоторыми позитивными возможностями среды к усилению фотосинтетических процессов.
Дополнительная информация может быть получена при сопоставлении поверхности и объема хвои деревьев разных участков, которые можно рассматривать как интегрирующие показатели, усредняющие ее морфометрическую структуру. В частности, при сравнении видно, что если расхождение в их длине, ширине и толщине контрольных участков составляют 17-20 %, то по поверхности оно снижается до 2-4 % (табл. 1).
Полученные данные могут служить основанием для ориентировочного представления о том, что величина поверхности может рассматриваться в качестве показателя, характеризующего степень негативного воздействия окружающей среды на развитие ассимиляционного аппарата растений, то есть меру загрязненности среды. Представляется, что наиболее информативными являются данные по хвое первого года, в течение которого в большей мере происходит адаптация биосинтетических процессов к условиям произрастания растений. Исходя из этой предпосылки очевидно, что наименее загрязнена атмосфера в Академгородке, несколько больше – на ул. Республики и Центральном парке. Поверхности и объемы хвои 2- и 3 годов этих насаждений также отличаются незначительно.

Таблица 1 – Влияние расположения участков произрастания ели на размеры хвои

№№ nn	Место отбора, район города	Возраст хвои, год	Размеры хвои, мм			Поверхность, мм2	Объем, мм3
			длина	толщина	ширина
1	ДК им. 1 Мая, Ленинский	1	13,4 ± 0,2	0,65 ± 0,02	0,91 ± 0,03	12,19	7,93
		2	17,5 ± 0,2	0,81 ± 0,02	0,98 ± 0,03	17,15	13,89
		3	18,9 ± 0,5	0,91 ± 0,02	1,05 ± 0,02	19,85	18,06
2	ТЭЦ -1, Ленинский	1	12,1 ± 0,3	0,74 ± 0,03	0,83 ± 0,04	10,04	7,43
		2	15,6 ± 0,3	0,99 ± 0,07	0,88 ± 0,05	13,73	13,59
		3	17,8 ± 0,3	1,04 ± 0,03	0,89 ± 0,04	15,84	16,48
3	Химкомбинат "Енисей", Ленинский	1	14,5 ± 0,5	0,73 ± 0,04	0,68 ± 0,04	9,86	7,20
		2	17,2 ± 0,4	0,74 ± 0,03	0,90 ± 0,05	15,48	11,46
		3	18,4 ± 0,7	0,76 ± 0,02	1,01 ± 0,07	18,58	14,12
4	КрАМЗ, Советский	1	10,4 ± 0,5	0,56 ± 0,02	0,68 ± 0,04	7,07	3,96
		2	15,2 ± 0,3	0,77 ± 0,03	0,90 ± 0,03	13,68	10,53
		3	16,9 ± 0,5	0,77 ± 0,03	1,01 ± 0,07	17,07	13,14
5	Парк Гвардейский, Советский	1	14,1 ± 0,4	0,80 ± 0,03	0,89 ± 0,04	12,55	10,04
		2	15,4 ± 0,3	0,92 ± 0,02	0,92 ± 0,03	14,17	13,03
		3	15,9 ± 0,3	1,06 ± 0,02	1,13 ± 0,04	17,97	19,05
6	Краевая больница № 1, Советский	1	14,0 ± 0,4	0,61 ± 0,03	0,93 ± 0,03	13,02	7,94
		2	14,8 ± 0,4	0,65 ± 0,03	0,99 ± 0,04	14,62	9,52
		3	15,5 ± 0,5	0,69 ± 0,04	1,01 ± 0,03	15,66	10,80
7	Центральный парк, Центральный	1	16,8 ± 0,4	0,72 ± 0,04	0,87 ± 0,04	14,62	10,52
		2	17,4 ± 0,5	0,79 ± 0,03	0,92 ± 0,04	16,01	12,65
		3	20,6 ± 0,4	0,86 ± 0,02	0,94 ± 0,02	19,36	16,65
8	ул. Республики, Железнодорожный	1	15,9 ± 0,2	0,79 ± 0,02	0,94 ± 0,03	14,95	10,46
		2	16,9 ± 0,2	0,73 ± 0,03	0,98 ± 0,02	16,56	12,09
		3	17,3 ± 0,4	0,87 ± 0,02	1,01 ± 0,01	17,47	15,20
9	Политехнический техникум, Свердловский	1	11,6 ± 0,2	0,68 ± 0,02	0,94 ± 0,04	10,90	7,41
		2	14,4 ± 0,3	0,88 ± 0,03	1,13 ± 0,03	16,27	14,32
		3	15,3 ± 0,2	0,94 ± 0,02	1,15 ± 0,03	17,60	16,54
10	Кировский исполком, Свердловский	1	13,8 ± 0,3	0,67 ± 0,02	0,95 ± 0,03	13,11	8,78
		2	17,8 ± 0,4	0,85 ± 0,04	1,09 ± 0,01	19,40	16,49
		3	18,1 ± 0,4	0,95 ± 0,02	1,14 ± 0,03	20,63	19,60
11	Академгородок, Октябрьский	1	14,4 ± 0,3	0,77 ± 0,03	0,97 ± 0,03	13,97	10,76
		2	15,1 ± 0,5	0,81 ± 0,05	1,05 ± 0,04	15,86	12,84
		3	16,7 ± 0,3	0,84 ± 0,03	1,06 ± 0,02	17,70	14,87
12	Дер. Слизнево, Емельяновский	1	19,9 ± 0,2	0,77 ± 0,03	0,91 ± 0,04	18,15	13,98
		2	21,3 ± 0,4	0,86 ± 0,04	0,98 ± 0,03	20,87	17,95
		3	22,1 ± 0,2	1,04 ± 0,03	1,05 ± 0,05	23,21	24,13
13	Ст. Кемчуг, Козульский	1	16,6 ± 0,3	0,94 ± 0,02	1,07 ± 0,04	17,76	16,70
		2	18,1 ± 0,1	0,96 ± 0,03	1,18 ± 0,05	21,30	20,45
		3	18,3 ± 0,4	0,98 ± 0,03	1,22 ± 0,05	22,33	21,88

Судя по морфометрическим показателям, существенно загрязнена атмосфера на основных автомагистралях и еще больше вблизи тепловых станций и крупных промышленных предприятий. Такое дифференцирование городских зон достаточно отчетливо прослеживается как непосредственно по размерам хвои, так и по их поверхности и объему. Особенно угнетена ель на участке около КрАМЗа. Об этом, прежде всего, свидетельствуют размеры хвои 1-го года этих деревьев и их варьирование, существенно превышающее соответствующие изменения в других насаждениях, а также большое число хлорозов и некрозов. Главная причина их плохого состояния связана, вероятно, с наличием в выбросах предприятий фтористых соединений (Рожков, Михайлова, 1989).
Условия развития насаждений, в том числе обусловленные ими хлорозы и некрозы, отражаются и на влажности хвои, что отмечается как по зонам города, так и в онтогенезе. Как и в случае с морфометрическими показателями, тенденция ее снижения наблюдается в ряду лесные фитоценозы (54,7±1,0 %), слабо (50,3±1,3 %)-, средне (47,8±0,7%)-, сильно (45,2±0,4 %)- и специфически (44,3 %)- загрязненные насаждения. Процесс старения хвои также сопровождается снижением влажности. В 1-м году она на 3-10 % увлажнена больше, чем в последующие. При этом различие во влажности хвои 1-го и последующих лет обратно пропорционально интенсивности загрязнения зоны.
Более надежной считается оценка загрязнения аэрогенной среды по отклонению содержания продуктов метаболизма от нормы (Неверова, 2002; Сотникова, Степень, 2001). Удобными для этого считаются характеризующиеся достаточной временной стабильностью терпеноидные соединения ассимиляционного аппарата – эфирные масла (Степень и др., 1996; Фуксман, 1999; Bucher, 1982)
Помимо загрязнения среды и времени года, содержание масла изменяется с возрастом хвои. Его вклад в февральской хвое 1, 2 и 3-го годов не-, слабо-, средне- и сильнозагрязненных участков представлен в таблице 2.

Таблица 2 - Содержание эфирного масла в хвое разного возраста и аэрогенного воздействия, %

Возраст хвои, год	ст. Кемчуг	Академгородок	Центральный парк	Химкомбинат "Енисей"
1	0,72 ± 0,4	0,66 ± 0,03	0,60 ± 0,03	0,55 ± 0,04
2	0,88 ± 0,05	0,79 ± 0,05	0,74 ± 0,04	0,72 ± 0,04
3	1,17 ± 0,06	0,89 ± 0,05	0,83 ± 0,05	0,80 ± 0,06

Хвоя 2-го года насыщена терпеноидами на 20-30 %, а 3-го года – на 30-40 % больше по сравнению с первым. При этом в лесных массивах темпы их накопления выше, что, возможно, обусловлено меньшей скоростью дальнейших превращений в отсутствии загрязнения. Содержание масла в зимнее время в городских насаждениях, как уже отмечалось, ниже, чем в лесу. Это логично объясняется замедлением биохимических процессов в растениях в состоянии покоя.
Качественный состав эфирного масла хвои всех лет жизни практически одинаков, количественный – существенно изменяется в зависимости от загрязнения атмосферы насаждений. Отмечаемые результаты анализа закономерны, поскольку повышение концентрации реактивных примесей способствует ускорению протекания окислительных и других превращений терпеноидов. Об этом свидетельствует образование супероксидных радикалов в хлоропластах (Shimazaki, 1980) и изменение вклада в ассимиляционном аппарате в зависимости от интенсивности выбросов оксидов серы, разных по токсичности сульфатов и сульфитов (Фуксман, Пойкалайнен, Шредерс, 1997). Если при отсутствии или низком содержании эти процессы происходят через длительный промежуток времени, то при повышенном – они сдвигаются на более близкий период. В соответствии с таким представлением по мере загрязнения возрастает скорость превращения монотерпенов в их кислородные производные, что подтверждается экспериментально. Следовательно, в незагрязненной среде максимум монотерпеновых углеводородов отмечается в масле хвои 3-4 годов. Усиление загрязнения сдвигает его положение в сторону 1-го года жизни. Отсюда представляется, что отношение монотерпенов к другим компонентам эфирного масла определенного года жизни характеризует загрязненность среды (табл. 3).
По данному признаку насаждения достаточно отчетливо разделяются на 4 типа. К первому из них относятся фитоценозы с максимумом монотерпеновых углеводородов в эфирном масле хвои 3-го года. Их накопление происходит в течение всего ее существования с минимумом образования на первом году жизни. Во втором типе максимум монотерпенов смещается к хвое 2-го года. При этом разница их вклада в масле хвои 2- и 3-го годов существенно меньше, чем такового хвои 2- и 1-го годов. Основной причиной происходящих изменений, по-видимому, является инициирование примесями воздуха окислительных процессов.
Усиление загрязнения и, следовательно, ускорение оксидации терпеновых соединений сдвигает максимум накопления монотерпеновых углеводородов к начальному периоду. В соответствии с этим, в третьем типе фитоценозов, хотя и наибольший вклад последних наблюдается в масле хвои 2-го года, его значение намного ближе к вкладу этих углеводородов в масле хвои 1-го года, чем 3-го. Дальнейшее развитие процессов обуславливает смещение максимального содержания монотерпеновых углеводородов к эфирному маслу хвои 1-го года жизни (4-й тип насаждений).
Исследования профилирования типа фитоценозов по компонентному составу эфирного масла ассимиляционного аппарата, в том числе и в связи с загрязнением атмосферы, ранее и более развернуто, хотя только на основе монотерпенов, проведены с сосной обыкновенной (Сотникова, Степень, 2001; Юмадилов, 1991). В частности, показано, что в лесных массивах преобладают «каренистые», а на городских участках – «пиненистые» деревья.

Таблица 3 - Изменчивость компонентного состава эфирного масла хвои ели сибирской в зависимости от загрязнения среды

Возраст хвои, год	Вклад моно-терпенов, %	Вклад тяжелых фракций, %	Отношение монотерпенов к сумме остальных компонентов
Незагрязненные, ст. Кемчуг
1	58,5	41,5	1,41
2	63,5	36,5	1,74
3	65,1	34,9	1,87
Малозагрязненные, Академгородок
1	51,4	48,6	1,06
2	58,3	41,7	1,40
3	56,2	43,8	1,28
Среднезагрязненные, Центральный парк
1	49,0	51,0	0,96
2	51,3	48,7	1,05
3	44,4	55,6	0,80
Сильнозагрязненные, химкомбинат "Енисей"
1	50,4	49,6	1,02
2	44,5	55,5	0,80
3	40,1	59,9	0,70