Использование лиственницы сибирской (Larix sibirica Ledeb.) как биоиндикатора состояния городских насаждений в условиях лесостепной зоны Хакасско-Минусинской котловины

Республика Хакасия расположена в зоне повышенного природного потенциала загрязнения атмосферы, который характеризуется частой повторяемостью штилей и приземных инверсий, что затрудняет рассеивание вредных веществ и способствует их накоплению в атмосфере. Анализ проб атмосферного воздуха на содержание вредных веществ свидетельствует о неблагополучии экологической обстановки в г. Абакане [6].

В качестве биоиндикатора состояния природной среды в г. Абакане выбрали лиственницу сибирскую (Larix sibirica Ledeb.), обладающую высокой чувствительностью к стрессовым воздействиям городской среды [7].

Цель исследований . Выявить возможность использования для качественной оценки состояния окружающей среды лиственницу сибирскую в качестве биоиндикатора в условиях лесостепной зоны ХакасскоМинусинской котловины.

Материалы и методы исследований . Материалом для исследований послужили данные дендрохронологической станции в черте города Абакана и дендростанции «Биджа» (контрольный вариант), находящейся в 53 км к северо-западу от г. Абакана (с наветренной стороны от основных промышленных центров) в лесостепной зоне Усть-Абаканского района Хакасии. Анализ природно-климатических условий дендростанций показал их сходство. Исследуемый район относится к Алтае-Саянской области умеренного пояса с резко континентальным и засушливым климатом. Для оценки влияния климата на динамику прироста деревьев использованы ежемесячные данные ближайшей метеостанции «Хакасская» (#29862, 53°46’ с.ш. 91°19’ в.д.) за период 1959–2012 гг. На климатограмме (рис. 1) показано распределение осадков и температуры в течение года.

Рис. 1. Климатограмма исследуемого района в период 1959–2012 гг. (планками погрешностей показаны стандартные отклонения температуры и осадков)

Для исследования изменчивости радиального прироста и морфологических характеристик хвои в зависимости от степени загрязненности воздуха были выбраны по 15 модельных деревьев на каждой дендростанции, с каждого дерева взяты по 15 кернов и по 15 образцов хвои. Сбор, транспортировка, обработка кернов, измерение и стандартизация ширины годичных колец проводились по стандартным методикам, используемым в дендрохронологии [8]. Морфометрические показатели хвои измеряли на установке LINTAB-5 «RINNTECH» (Германия). Ширина хвоинок была измерена в пятикратной повторности (равномерно по длине хвоинки) и затем усреднена. Длину измеряли с учетом изгиба хвоинки.

Результаты исследований и их обсуждение . Анализ индивидуальных древесно-кольцевых хронологий показал, что процент выпавших колец на дендростанции в Абакане больше, чем на дендростанции «Биджа» (1,7 и 1,1 % соответственно). Поскольку природно-климатические условия на исследуемых дендростанциях однородны, можно сделать вывод, что количество выпавших колец увеличивается при антропогенной нагрузке и может служить одним из показателей качества среды, тем более, что на дендростанции «Биджа» выпавшие кольца могут быть обусловлены не только неблагоприятными погодными условиями, но и пирогенным фактором (лесными пожарами), который в Абакане практически исключен.

Значения коэффициента чувствительности и выраженного сигнала популяции для обеих хронологий достаточно высоки (около 0,3 и более 0,85 соответственно), следовательно, хронологии пригодны для денд-роклиматического анализа (табл. 1).

Таблица 1

Статистические характеристики локальных индексированных хронологий в период 1951–2012 гг.

Показатель	Дендростанция г. Абакан	Дендростанция «Биджа»
Стандартное отклонение, SD	0,32	0,23
Коэффициент чувствительности, Kr	0,34	0,29
Средний межсериальный коэффициент корреляции, R	0,28	0,45
Отношение сигнала к шуму, SNR	5,79	12,34
Выраженный сигнал популяции, EPS	0,85	0,93

Стандартное отклонение и коэффициент чувствительности индексов радиального прироста в Абакане выше, что указывает на большую изменчивость, вызванную внешними факторами, в том числе и антропогенными. Однако межсериальные коэффициенты корреляции, отношение сигнала к шуму и выраженный сигнал популяции в городских насаждениях ниже, что может быть вызвано неоднородностью антропогенной нагрузки в различных частях города. Между индексированными локальными хронологиями двух дендростанций существует положительная корреляционная связь (R = 0,34), что объясняется наличием сходного климатического сигнала.

При сравнении индивидуальных хронологий были выделены годы минимального и максимального прироста у большей части деревьев – реперные годы. На дендростанции «Биджа» за период 1951–2012 гг. количество реперных лет больше, чем в Абакане, что объясняется согласованностью приро- ста в отсутствие антропогенной нагрузки. Тем не менее значительная часть реперных лет совпадает для обеих станций (около 55 % от общего количества в Абакане как для максимумов, так и для минимумов прироста) и, следовательно, имеет климатическую природу.

Расчет коэффициентов корреляции остаточных хронологий со среднемесячными климатическими переменными показал, что в лесостепной природной зоне на погодичную изменчивость радиального прироста влияют температуры и осадки нескольких периодов (рис. 2). В целом для обеих дендростанций наблюдается значимое положительное влияние осадков и отрицательное влияние температур первой половины сезона роста, именно это влияние обусловливает корреляции между хронологиями дендростанций г. Абакана и «Биджа». Однако наблюдаются и индивидуальные климатические реакции, обусловленные как более северным расположением дендростанции «Биджа», так и микроклиматическими отличиями, характерными для городской среды в г. Абакане.

Рис. 2. Коэффициенты корреляции индексированных хронологий с климатическими факторами за 1959-2012 гг. (подписаны коэффициенты, значимые на уровне p < 0,10)

На дендростанции «Биджа» погодные условия в мае не оказывают значимого влияния, так как формирование древесины начинается несколько позже, чем в г. Абакане. Сочетание положительного воздействия осадков и отрицательного (иссушающего) температур в июне-июле характерно для лесостепной зоны при континентальном климате. В августе наблюдается отрицательное воздействие осадков, которое можно объяснить тем, что в отдельные годы осадки августа достигают 120–150 мм, что является избыточным для древостоя, адаптированного к умеренному увлажнению, и угнетает процессы роста; при исключении же этих экстремальных лет взаимосвязи радиального прироста лиственницы с осадками не наблюдаются. Угнетение радиального прироста после зим с высокой температурой декабря (выше -10°С) может быть вызвано стаиванием большей части снежного покрова во время оттепелей, которое впоследствии приводит к промерзанию почвы и повреждению поверхностной корневой системы лиственницы.

В Абакане, как видно по наличию значимого влияния погодных условий в мае и сентябре, формирование древесины лиственницы начинается раньше, а заканчивается позднее. Это связано с повышением температуры, характерным для городского микроклимата [9]. Кроме того, в городе почвы более бедные, чем в природных условиях, что приводит к необходимости накопления ассимилятов в конце вегетационного сезона (сентябрь) и к повышению значимости климата в этот период. Отсутствие негативного влияния избытка осадков в сентябре может быть связано с наличием в городе ливневой канализации, а таяние снегового покрова при оттепелях в начале зимы компенсируется позднее распространенной в городе практикой складирования снега, убранного с дорожного полотна, а также в зоне зеленых насаждений.

При осмотре хвои исследованных деревьев было замечено, что на дендростанции в г. Абакане на 30– 40 % хвоинок присутствуют однотипные точечные повреждения – хлорозы (осветленные или поменявшие цвет участки ткани, образующиеся при нарушениях биосинтеза хлорофилла и пластидного аппарата), появление которых связано с повышенной запыленностью от интенсивного дорожного движения в городе и печного отопления частного сектора, где непосредственно находится дендростанция. На дендростанции «Биджа» повреждения хвои не наблюдаются. Данные морфологические изменения наряду с размерами хвои могут быть использованы для биоиндикации, так как длина хвои варьирует от индивидуальных и возрастных особенностей того или иного дерева [10]. Многие исследования показывают, что значительно снижены ростовые процессы побегов хвойных пород, подвергающихся действию атмосферного загрязнения. Так, под действием нитратов хвоя удлиняется, под действием SO2 – укорачивается, соединения серы отрицательно влияют на размеры хвои [3, 7]. По результатам наших исследований видно, что воздействие городской сре- ды отрицательно сказывается на ростовых процессах в хвое лиственницы: в среднем длина и площадь хвои в Абакане меньше, чем в контрольной зоне, при тех же значениях ширины хвоинки (табл. 2).

Средние значения и стандартные отклонения морфометрических показателей хвои

Таблица 2

Показатель	Дендростанция г. Абакан	Дендростанция «Биджа»
Длина хвоинки, мм	29,4 ± 5,3	31,7±7,8
Ширина хвоинки, мм	0,69±0,12	0,68±0,13
Max длина хвоинки, мм	44,61	50,00
Min длина хвоинки, мм	18,73	18,46
Mах ширина хвоинки, мм	1,07	1,04
Min ширина хвоинки, мм	0,39	0,35
Площадь поверхности хвоинки, мм2	20,8±7,4	22,7±9,8

Показатель точности для обеих выборок меньше 5 % [11]. Значит, можно сделать вывод о достаточно высокой точности полученных данных. Уровень достоверности различий данных выборок рассматривался по критерию Колмогорова-Смирнова (наблюдаемое значение статистики равно 0,896 при уровне значимости α = 0,05) [12]. Расчеты показали, что нет оснований для заключения о наличии существенных различий в длине хвои на двух изученных дендростанциях.

Известно, что в однородных условиях у более молодых деревьев наблюдаются большие размеры ассимиляционного аппарата [3], однако в данном случае наблюдается обратная картина. Эта тенденция хорошо просматривается на графике зависимости длины от ширины хвои. Такую разницу можно объяснить действием загрязняющих веществ, например, действием бенз(а)пирена и взвешенных веществ от прилегающей автотрассы, а также действием соединений серы от печного отопления жилого сектора (рис. 3).

(Л

Абакан

0      2000    4000    6000

l

Рис. 3. Зависимость длины хвои от ее площади

Рассматривая изменчивость морфометрических показателей хвои лиственницы в зависимости от антропогенной нагрузки, можно отметить, что в городских условиях среднестатистические морфометрические показатели хвои меньше за счет влияния загрязняющих веществ.

Заключение . Для качественной оценки состояния окружающей среды возможно использовать лиственницу сибирскую в качестве биоиндикатора в условиях лесостепной зоны Хакасско-Минусинской котловины. Это подтвердили такие показатели, как морфометрические показатели листового аппарата хвойных, а также тот факт, что в городских условиях согласованность радиального прироста различных деревьев уменьшается, как и сами значения ШГК, за счет влияния загрязняющих веществ. Климатический отклик изменяется вследствие микроклиматических отличий городской среды от природной, когда как основными лимитирующими климатическими факторами, действующими на двух дендростанциях, являются избыточная и недостаточная увлажненность в отдельные месяцы года, малоснежные зимы, высокая температура в начале вегетации.