Коэффициент фотосинтетической эффективности растений для оценки качества городской среды

Н. Г. Акиншина,

А. А. Азизов,

Т. А. Карасева,

• Э.    Клозе

Город представляет собой сложную природно-техногенную систему, которая потребляет огромное количество природных ресурсов. В отличие от природных экологических систем, городская среда не способна самостоятельно компенсировать негативные последствия своего потребления и развития. Качество городской среды формируется под воздействием множества факторов, среди которых можно выделить следующие:

• 1)    факторы негативного воздействия (загрязнение воздуха, воды и почвы, твердые отходы, шум, вибрация, повышенный уровень электромагнитного и радиоактивного излучения, изменение эдафических условий, гидрологического режима т. д.);

• 2)    компенсирующие факторы (озеленен-ность территории, водные пространства, рекреационный потенциал и т. д.);

• 3)    факультативные факторы (планировка городской территории и т. д.) [3].

Для создания благоприятной городской среды и устойчивого развития города эти факторы должны регулироваться таким образом, чтобы уменьшить воздействие негативных факторов, повысить эффективность компенсирующих и положительный эффект факультативных. При этом озеленению территорий отводится определяющая роль.

Городские зеленые насаждения являются основной частью ландшафта — «измененной природной среды» города. Их главное назначение в городе не производство органического вещества и обеспечение «консументов» пищей, как у растений природных экосистем, а регулирование газового состава атмосферы и создание благоприятного микроклимата (рис. 1) [1; 3; 7].

В свою очередь, жизнь растений тесно связана с качеством среды обитания. Многие растения чрезвычайно чувствительны к загрязнению воздушной среды, присутствию тяжелых металлов или кислотообразующих газов. В результате длительного воздействия таких негативных факторов городской среды, как пыль, вредные газы, кислоты, уплотнение почвы, нарушение светового и температурного режимов и т. д., у растений может повреждаться корневая система и надземная часть, и они погибают (см. рис. 1). Поэтому при озеленении территорий необходим строгий подбор более устойчивого ассортимента зеленых насаждений с учетом их защитных свойств и приживаемости [1; 2; 4; 7].

Ташкент долгое время считался одним из самых зеленых городов Центральной Азии. Работы по целенаправленному озеленению городской территории ведутся с начала прошлого века [5]. К сожалению, исследования последних лет указывают на сокращение площади зеленых насаждений и обеднение ассортимента декоративных растений, При- H. Г. Акиншина. А. А. Азизов, Т. А. Карасева, Э. Клозе, 2007

Уменьшение содержания опасных газов в воздушной среде;

Зашита от ветра;

Снижение пыли и дыма в воздухе;

Снижение шума;

Снижение солнечной инсоляции;

Городская растительность

Снижение устойчивости к неблагоприятным климатическим факторам и патогенным организмам;

Запыленность воздуха;

Изменение морфологических и физиологических показателей, нарушение роста и развития;

Сокращение срока жизни и т. д.

Городская территория

Нарушение светового и температурного режимов;

Уплотнение и вытаптывание почвы и т, д.

Рисунок 1

Упрощённое представление о взаимосвязи между городской растительностью и городской средой меняемых в озеленении Ташкента [61, Рост загрязнения воздушной среды и снижение качества ухода за растениями являются одними из главных причин наблюдаемых изменений, поэтому очевидна актуальность создания системы мониторинга состояния городской растительности. К тому же по реакциям растений или степени аккумуляции ими токсичных веществ можно судить о качестве городской среды, прежде всего о качестве воздуха. Это очень важно для Ташкента, так как только 12 постов наблюдения Государственной метеорологической службы функционируют на территории города площадью около 400 кв. км. Они измеряют 3 метеорологических параметра (температуру, скорость и направление ветра, влажность) и концентрации 4—9 загрязняющих веществ. Этого не достаточно для эффективного контроля и управления качеством воздушной среды такого крупного густонаселенного го рода, как Ташкент. Необходимо расширить городскую сеть мониторинга качества атмосферы за счет введения биологических методов в дополнение к физико-химическим.

Исследования состояния городской растительности выполняются с 2003 г. в рамках государственной научно-исследовательской программы «Оценка экологического состояния Ташкента». Цель исследований — разработка рекомендаций для устойчивого управления городом на основе экологических данных.

Одной из задач исследований был выбор наиболее удобных и объективных показателей для целей мониторинга за состоянием городской растительности. Различные характеристики состояния растений были изучены для того, чтобы найти лучший показатель уровня загрязнения воздушной среды в городе. Среди них — ежегодный линей- ный прирост, концентрация хлорофиллов, интенсивность газообмена, масса и состав пыли, осевшей на поверхности листьев, концентрация тяжелых металлов в тканях листьев и т. п. Некоторые, результаты этих исследований, связанные с пассивным биомониторингом качества воздушной среды в Ташкенте, представлены в данной статье.

Методы. Исследования проводились с применением прибора PlantVital*5OOO фирмы INNO-Concept GmbH (Германия) (рис. 2). Прибор способен регистрировать продукцию и потребление О₂ зелеными растениями. Метод измерения отличается простотой, высокой чувствительностью и воспроизводимостью (патент DE 4332290 Deutsches Patentamt).

Принцип измерения основывается на непосредственном контакте кислородного электрода типа Кларка с поверхностью анализируемых объектов. Под воздействием света определенной длины волны регистрируется выделяющийся при фотосинтезе кислород, а в условиях темноты регистрируется поглощение кислорода анализируемым объектам. Длина волны света (630—650 нм) и температура (15—35 °C) поддерживаются постоянными. Измерение производится в среде, способствующей оптимальному фотосинтетическому процессу. Ошибка параллельных измерений менее 10 %..

Для эксперимента необходима высечка свежего листа d 3—5 мм, которую помещают в измерительную ячейку со специальной средой для непосредственного контакта с сенсором. Время измерений от 10 до 30 мин (в зависимости от специфики объекта измерения или поставленной задачи). Результаты измерений передаются на компьютер, обрабатываются и представляются в графическом виде или в формате Excel.

Программа для обработки результатов из мерений автоматически рассчитывает скорости изменения концентрации кислорода в ячейке. Скорости процессов «дыхания» (потребления кислорода в темноте) и «фотосинтеза» (чистой продукции кислорода на свету) являются показателями уровня газообмена растения и характеризуют его физиологическое состояние. Коэффициент фотосинтетической эффективности рассчитывается как отношение скорости фотосинтеза к скорости дыхания.

Объектами исследования являлись листья следующих представителей зеленых насаждений Ташкента: дуб черешчатый (Quercus robur), платан восточный (Platanus о г lent alts'), катальпа обыкновенная (Catalpa bignonioides), клен ясенелистный (Лсег campestre), ясень американский IFraxinus americana), робиния ложноакациевая ^Robinia pseudoacacia), шелковица белая

Рисунок 2

Внешний вид прибора Р1ап1УИаГ5000

(Morus alba), орех грецкий (Juglans regia), софора японская (Sophora japonica), бирючина обыкновенная (Ligustrum uulgare), вяз приземистый (UImus pumila), айлант высочайший (Ailantus aliissima), вишня (Cerasus vulgaris), инжир (Ficus carica). Было проанализировано более 400 образцов растительности Ташкента. Полученные данные подвергались стандартной статистической обработке. Каждая точка, представленная на диаграммах, или числовое значение в таблице является усредненным результатом как минимум 15 измерений.

Дыхание и фотосинтез относятся к важнейшим физиологическим процессам в жизни растений. Высокая чувствительность процессов дыхания и фотосинтеза к действию различных факторов среды обитания является основанием для применения этих показателей в целях биомониторинга состояния окружающей среды. Наиболее часто фотосинтетическую активность растений измеряют по убыли углекислого газа в среде. В противовес этой стандартной методике фирмой INNO-Concept GmbH (Германия) создан прибор PlantVitarsOOO, работа которого основана на прямой регистрации концентрации молекулярного кислорода в среде.

Было проведено несколько серий экспериментов, посвященных изучению видовых особенностей процессов дыхания и фотосинтеза у растений Ташкента. Измерялась скорость потребления кислорода в темноте и скорость чистой продукции с единицы поверхности свежего листа в единицу времени. Результаты измерений представлены на рис. 3.

Обнаружено, что наибольшей фотосинтетической активностью на территории Ташкента обладают такие древесные породы, как дуб черешчатый, ясень американский, клен ясенелистный, платан восточный, шелковица белая, катальпа обыкновенная. При этом у шелковицы белой, клена ясенелистного и ясеня американского наблюдались самые высокие скорое-

Рисунок. 3

Скорость чистой продукции кислорода и интенсивность темнового дыхания у листьев некоторых видов растительности г. Ташкента (мг О₂ / сек кв. м) Примечание: Образцы растений для этой серии экспериментов отбирались с территории метеостанции «Ташкент», которая считается фоновой точкой города по метеорологическим показателям и уровню загрязнения окружающей среды; отбор проб проводился в утренние часы в мае — июне 2004—2005 гг.

ти потребления кислорода в процессе темнового дыхания.

Проведенные исследования позволяют заключить, что интенсивность газообмена — слишком экологически лабильный показатель. Невозможно на основании снижения/повышения интенсивности фотосинтеза или дыхания однозначно сделать вывод об ухудше-нии/улучшении физиологического состояния растений. Поэтому нами предлагается другой показатель для оценки состояния растения и качества среды его обитания — коэффициент фотосинтетической эффективности — отношение скорости фотосинтеза к скорости темнового дыхания. Этот относительный коэффициент объединяет в себе характеристику двух важнейших физиологических процессов в жизни растений и объективнее, чем интенсивность газообмена, отражает физиологическое состояние данного вида растения в данном местообитании.

Были рассчитаны коэффициенты фотосинтетической эффективности (Кфэ) для исследованных видов растений в условиях городской среды. Результаты представлены на рис.

• 4.    Выявлено, что наибольшим Кфэ обладают платан восточный, катальпа обыкновенная и дуб черешчатый.

Следует отметить, что Кфз — видоспецифичный и очень чувствительный по отношению к факторам среды обитания показатель. По его отклонению от контрольных величин предлагается оценивать уровень стрессовой нагрузки на растения, а значит качество городской среды, в том числе комплексное загрязнение воздуха в местах произрастания исследуемых деревьев.

Было интересно проверить утверждение, что под действием неблагоприятных факторов среды обитания, например в условиях антропогенного стресса, у растений часто происходит сдвиг в соотношении процессов дыхания и фотосинтеза в сторону увеличения процессов потребления и уменьшения процессов синтеза О_в. Проведено сравнение Кфэ разных пород деревьев, произрастающих в разных экологических условиях:

• 1)    внутри жилого микрорайона, скрытого зданиями и зелеными насаждениями от прямого воздействия дороги;

  

  Рисунок 4

  Коэффициенты фотосинтетической эффективности некоторых видов растительности Ташкента

  Примечание: Коэффициенты фотосинтетической эффективности (К_ФЭ) рассчитывались как отношение скорости чистой продукции кислорода (мгО_г/(сек.м²)) к скорости потребления кислорода в процессе темнового дыхания (мгО₂/(сек.м²)).

  
  

• 2)    вдоль узкой напряженной автодороги, в условиях плохой продуваемости и повышенного загрязнения атмосферного, воздуха.

Результаты измерения продукции и потребления кислорода листьями растений в зависимости от условий произрастания представлены в табл. 1. Выявлено достоверное снижение фотосинтетической активности (на 58 %) и повышение процессов потребления кислорода (на 78 %) у бирючины обыкновенной, растущей вдоль автомобильной дороги, по сравнению с тем же видом из микрорайона. У платана восточного, катальпы обыкновенной, клена ясенелистного, софоры японской и ясеня американского в условиях ухудшения качества среды обитания наблюдалось снижение процессов продукции кислорода на 42, 40, 17, 33 и 17 % соответственно при сохранении процессов потребления примерно на прежнем уровне. Изменения показателей дыхания и фотосинтеза у вяза приземистого в разных условиях обитания оказались недостоверными.

Рассчитанные для каждого вида Коэффициенты фотосинтетической эффективности показали, что Кфэ более наглядно отражает изменения состояния исследуемых растений. Результаты представлены на рис. 5.

Для растений вдоль дороги характерно уменьшение Кфэ по сравнению с растения ми из жилого района; например, у платана восточного Кфэ снизился на 43 %, у софоры японской, катальпы обыкновенной и бирючины обыкновенной — на 38, 41 и 76 % соответственно. Это может служить объективным свидетельством ухудшения их физиологического состояния в условиях отсутствия полива, высокой запыленности и загазованности территории.

Таким образом, Кфэ может применяться для объективной оценки физиологического состояния растения в данный момент в данном месте обитания в целях биомониторинга качества окружающей среды. Следует отметить, что Кфэ — видоспецифичный и очень чувствительный по отношению к факторам среды обитания показатель. Очевидно, что у растений, произрастающих в сложных условиях городской среды, он ниже, чем у тех же видов, произрастающих в естественных местообитаниях или в хороших условиях выращивания и ухода.

Проведенные исследования позволяют заключить, что коэффициент фотосинтетической эффективности является объективным показателем состояния растений и качества среды их обитания и может применяться в биомониторинге городской среды. К преимуществам этого показателя относятся:

Таблица

Продукция и потребление кислорода лиетьялти растении в зависимости от условий произрастания. Примечание: Образцы растений отбирались на территории Ташкента: / — внутри жилого микрорайона, скрытого зданиями и зелеными насаждениями от прямого воздействия дороги (метеостанция «Ташкент»);

• 2 — вдоль узкой напряженной автодороги, в условиях плохой продуваемости и повышенного загрязнения атмосферного воздуха (ул. Муртазаева)

  Объект исследования			2
  	Потребление	Продукция	Потребление	Продукция
  	мгО,/(сек. кв.м)
  Piatanus oriental^	-0,190 ±0,03	0,810 ± 0,07	-6,193 + 0,02	0,467 + 0,09
  Acer campeslre	-0,593 + 0,04	1,461+0,06	-0,598 ±0,06	1,21+0,10
  Frosinas Americana	-0,546 ± 0,06	1,299 ±0,10	-0,563 ± 0,07	1,07±0,16
  Sophora japonica	-0,240 + 0,02	0,434 ± 0,02	-0,261 ±0,02	0,292 ±0,02
  Ulmus pumila	-0,395 ± 0,02	0,667 + 0,04	-0,321 ± 0,03	0,618+0,05
  Cata/pa bignonioides	-0,252 ±0,02	0,772 ±0,06	-0,258 ±0,03	0,467 ± 0,06
  Ligustrum vuigare	-0,151 ±0,02	0,268 ±0,03	-0,269 ±0,01	0,113 ±0,02

• 1)    простота измерения и расчета;

• 2)    объективность;

• 3)    высокая чувствительность.

Следует отметить, что область практического применения коэффициента фотосинтетической активности достаточно широка. На основании изменения коэффициента в разных условиях произрастания растений можно делать выводы о качестве среды обитания, а также об устойчивости того или иного вида к определенным факторам среды. Можно оценивать эффективность биодобавок, удобрений, разрабатывать режимы ухода за растениями, оценивать влияние токсических веществ и т. д. С помощью данного показателя можно своевременно обнаруживать негативные тенденции изменения качества окружающей среды на самых ранних этапах и прогнозировать ситуацию. Кроме того, необходимо учитывать коэффициенты фотосинтетической эффективности при науЧно-обоснованном планировании озеленения территорий, особенно территорий детских и оздоровительных учреждений.

В заключение следует отметить, что растительность оказывает большое психологическое и эмоциональное воздействие. Психологи считают, что среди безликой застройки городов, «засорения» ландшафтов железобетонными конструкциями, пустырями и другими городскими «бросовыми» землями происходит так называемое психологическое (ментальное) загрязнение — человек постепенно привыкает к виду разрушенной природы. Городской растительный мир может помочь в избежании такого привыкания.

Бесспорно, ухудшение состояния городской растительности, исчезновение отдельных видов и сокращение площади городских озеленённых территорий наносит экономический, экологический и социальный вред. Наоборот, научно—обоснованный подбор ассортимента растений для озеленения, увеличение площадей зеленых насаждений в городе приводит к улучшению качества жизни и здоровья населения самого города и эффективной компенсации негативного воздействия техногенной среды на окружаю-

Рисунок 5

Коэффициенты фотосинтетической эффективности у растений в разных условиях произрастания (/ — жилой район, 2 — вдоль напряженной непродуваемой автодороги)

щие город природные территории. Таким образом, растительность является одним из важнейших элементов устойчивости развития городской среды. Мониторинг состояния и охрана зеленых насаждений должны стать составной частью управления городской средой. Важно осознавать, что именно природная среда (даже измененная или созданная человеком) может гарантировать устойчивый экономический рост и высокое качество жизни населения.

Благодарности

Исследования проводились в рамках Государственной научно-технической программы ГНТП-13 РУз. Авторы выражают глубокую признательность и благодарность Фонду Александра фон Гумбольдта (Германия) и Брандербургскому институту по поддержке разработки и внедрения новых технологий и инноваций, MITI (Штраусберг, Германия) за техническую поддержку,

I Поступила 04.02.08.