Развитие надземных органов ели сибирской (Picea obovata Ledeb.) в условиях углеводородного загрязнения (Уфимский промышленный центр)

Проблема создания устойчивых древесных насаждений в крупных промышленных центрах (одним из которых является Уфимский), выполняющих роль фитофильтра, в настоящее время остается актуальной. Древесные растения благотворно влияют на все компоненты экосистемы, что ведет к созданию более благоприятных условий для здоровья и жизнедеятельности людей. Функция фитофильтра осуществляется за счет поглощения значительной части газообразных загрязняющих веществ из воздуха, но превышение предельно допустимых концентраций загрязняющих веществ в атмосферном воздухе действует угнетающе на рост и возобновление лесных насаждений [3].

В связи с этим при создании устойчивого фитофильтра за основу должен быть взят принцип правильного подбора видов деревьев.

Было замечено, что растения, являющиеся более газоустойчивыми, более устойчивы к естественным стрессовым факторам, в связи с чем была выдвинута теория преадаптации. Хорошая корреляция проявляется в отношении с засухоустойчивыми растениями [5]. Фитофильтр функционирует при соблюдении двух условий: древесные виды, входящие в его состав, должны сохранять в техногенных условиях без изменений способность к росту и способность к возобновлению естественным путем. Фитофильтр характеризуется годичной ритмикой периодичности в поглощении и способностью к са-моочистке растений за счет ежегодного листопада.

Заметим, что листопадные культуры избавляются от загрязняющих веществ быстрее, нежели вечнозеленые, «консервирующие» в хвое токсиканты на несколько лет. С возрастом происходит увеличение объема поглощения фитофильтра в силу увеличения биомассы. Растения, входящие в состав фитофильтра, характеризуются повышенной чувствительностью к внешним факторам и ограниченным запасом прочности, а также способностью к

«автоматическому ремонту» за счет регенерации поврежденных органов [2].

Несмотря на то, что некоторыми авторами указывается меньшая газоустойчивость хвойных пород по сравнению с лиственными [7], введение хвойных не листопадных видов в состав санитарнозащитных лесонасаждений имеет важное преимущество – возможность использования промышленного фитофильтра круглый год. За счет большей площади ассимилирующей поверхности, постоянной в течение всего года, еловые леса обладают лучшей способностью задерживать аэрозольные токсиканты.

Загрязнение воздушной среды влияет на надземную часть ряда хвойных пород деревьев следующим образом: снижается прирост боковых побегов, уменьшается средняя длина хвои и ее масса, усиливается опад хвои. Происходит значительное снижение количества хлорофилла в хвое при увеличении загрязнения. Данные тенденции характерны для всех возрастов хвои у всех видов семейства Pinaceae . Замечено, что данные тенденции выражены сильнее у ели сибирской и сосны обыкновенной [5].

Согласно Государственному докладу [4], в Уфимском промышленном центре преобладает углеводородное промышленное загрязнение с преимущественным содержанием в составе выбросов смесей предельных и непредельных углеводородов с участием окиси углерода, окислов азота, сероводорода, сернистого газа и ряда других соединений. Индекс загрязнения атмосферы г. Уфы определяется высокой концентрацией формальдегида и бенз(а)пирена. Было установлено, что углеводородное загрязнение оказывает значительное влияние на анатомическое строение листьев (хвои), в частности, на состояние устьичного аппарата листьев деревьев. Наблюдалось увеличение числа устьиц на 1 мм2 листа с интенсификацией загазованности воздуха [6].

Цель данной работы – изучение особенностей развития надземных органов ели сибирской ( Picea obovata Ledeb.) в условиях углеводородного типа загрязнения окружающей среды.

МАТЕРИАЛ И МЕТОДЫ

Было заложено 3 пробных площади на различной отдаленности от нефтехимических предприятий Уфимского промышленного центра (УПЦ): первая – возле поселка Тимашево (зона сильного загрязнения), вторая – рядом со станцией «Шугу-ровка» (зона среднего загрязнения), третья – у поселке Авдон (зона относительного контроля). Возраст деревьев – 20-40 лет (насаждения одного класса возраста). Во всех случаях имели место относительно чистые посадки ели без примеси иных пород с составом древостоя 10Е. Измерение высоты деревьев проводилось с помощью высотометра, измерение диаметров стволов деревьев – мерной вилкой на уровне груди (1,3 м от шейки корня). Оценка относительного жизненного состояния насаждений (ОЖС) ели сибирской проводилась по методике В.А. Алексеева с соавт. [1].

Насаждения ели сибирской в условиях нефтехимического загрязнения в зонах сильного и среднего углеводородного загрязнения характеризуются как «ослабленные» (L v = 68-71,5%), в условиях относительного контроля – как «здоровые» (L v = 96%). В условиях промышленного загрязнения данного типа деревья ели сибирской имеют плохо сформированную крону, густота которой снижена приблизительно на 30% от нормы. Стволы деревьев плохо очищаются от мертвых сучьев, заметны повреждения хвои (хлорозы, некрозы). В насаждениях появляется сухостой и отмирающие деревья, хотя доля их незначительна (до 20% от общего количества стволов). В контроле ель имеет хорошо сформированную крону (сомкнутость – до 1,0), стволы хорошо очищаются от мертвых сучьев и отсутствуют видимые поражения хвои.

Отбор образцов для исследования ассимиляционного аппарата производился 3 раза за вегетационный период (июнь, июль и август). Определение длины побегов и хвои ели сибирской на каждой пробной площади проводилось на 5-10 деревьях на 15-30 модельных ветвях. Измерения проводили с помощью штангенциркуля с точностью до 0,01 см.

Для определения массы хвои ели с 50-и собранных ветвей каждого из трех возрастов с каждой пробной площади производили отбор 100 хвоинок после предварительного их высушивания в термошкафе при температуре 60ºС в течение 2-х сут. Отсчитывали по 10 образцов из каждого возраста с каждой пробной площади, таким образом, получали 90 образцов за месяц. Образцы взвешивались на лабораторных весах (ВЛТЭ-150) с точностью до 1 мг. Определение возраста деревьев производилось по древесным кернам, отобранным с помощью бурава Mora (Sweden) и Suunto (Finland). Прирост древесины по годичным кольцам определялся в лаборатории по полученным кернам с помощью микроскопа МБС-1 (Россия).

Статистическую обработку проводили с использованием программы Statistica 6.0.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Реакция надземной части насаждений ели сибирской на углеводородное загрязнение в УПЦ заключается в уменьшении длины побегов вследствие раннего окончания роста. Средняя длина хвои, в отличие от длины побегов, стабильно увеличивается с возрастанием углеводородного загрязнения. Исключением являются показатели средней длины хвои 3-го года жизни в июле, а также 2-го и 3-го года в августе (зона среднего загрязнения).

В июне средняя длина побегов на всех пробных площадях варьирует слабо. Максимальная разница составляет 23% – между побегами в зоне среднего и сильного загрязнения (1-й год). Средняя длина побегов 1-го года жизни максимальна в зоне сильного загрязнения (46,7 мм), минимальна в зоне среднего загрязнения (37,9 мм). Промежуточное положение занимает зона контроля (40,8 мм). В июле длина побегов 1-го года в контроле составляет 58,5 мм, в зоне среднего загрязнения – 48,3 мм. В зоне сильного загрязнения наблюдаются минимальные значения длины побегов. В августе закономерность аналогична июлю. Побеги 1-го года жизни имеют среднюю длину 52,2 мм в контроле, 40,4 мм в зоне среднего загрязнения и 37,2 мм в зоне сильного загрязнения.

При измерении хвои на разном удалении от источника нефтехимического загрязнения установлено, что в июне средняя длина хвои 1-го года жизни максимальна в зоне сильного загрязнения (16 мм), минимальна в зоне контроля (10 мм). Промежуточное положение занимает зона среднего загрязнения (зона среднего загрязнения), где средняя длина хвои составляет 13,1 мм; хвоя 2-го и 3-го года повторяет тенденцию. Замечено, что показатели хвои разных возрастов в зоне среднего и сильного загрязнения отличаются между собой незначительно.

Самые короткие хвоинки июля фиксировались в контроле (1-й год – 12,2 мм, 2-й год – 13,7 мм, 3-й год – 11,9 мм). В зоне среднего загрязнения показатели следующие: 1-й год – 17,2 мм, 2-й год – 17,4 мм, 3-й год – 18,2 мм. В зоне сильного загрязнения наблюдались максимальные значения длины хвои: 1-й год – 18,5 мм, 2-й год – 18,1 мм, 3-й год – 16,2 мм. В августе тенденция аналогична июльским показателям за исключением хвои 2-го и 3-го года жизни из зоны умеренного загрязнения, которая имеет наивысшую длину: 16,1 мм и 14,5 мм соответственно. Хвоя 1-го года имеет среднюю длину 15,4 мм. В зоне сильного загрязнения наблюдается максимальное за август среднее значение длины хвои 1-го года (17,5 мм), хвоя 2-го года жизни имеет среднюю длину 13,9 мм, 3-го – 13,6 мм. В зоне контроля, напротив, наименьшие показатели в длине хвои, а именно: 9,2 мм (1-й год), 10,1 мм (2-й год) и 9,4 мм (3-й год).

В целом, ель сибирская реагирует на углеводородное загрязнение в УПЦ уменьшением длины побегов с одновременным увеличением длины хвои.

При измерении массы хвои установлено, что масса хвои 1-го года жизни уменьшается с приближением к источнику нефтехимического загрязнения, что особенно заметно в июле (167 мг в контроле; 136 мг в зоне сильного загрязнения) и августе (154 мг в контроле; 97 мг в зоне сильного загрязнения). В зоне умеренного загрязнения (зона среднего загрязнения) наблюдался пик массы хвои 1-го года (июль - 233 мг и август - 160 мг), в июне масса хвои на всех пробных площадях приблизительно одинакова (от 90 до 103 мг/100 хвоинок). Масса хвои 2-го года жизни с приближением к источнику нефтехимического загрязнения несколько возрастает в июне (разница составляет 17%), в июле становится одинаковой в зонах сильного загрязнения и контроля, а в августе уменьшается (разница - 19,6%). В зоне среднего загрязнения масса хвои 2-го года в июне меньше масс на других пробных площадях и составляет 121 мг/100 хвоинок (152 мг - в зоне контроля; 177 мг - в зоне сильного загрязнения). В июле наблюдается пик массы хвои 2-го года жизни в зоне среднего загрязнения, подобный для хвои 1-го года (зона среднего загрязнения) - 273 мг/100 хвоинок (наивысший показатель), что на 82 мг больше, чем в контроле и в зоне сильного загрязнения. Тенденция прослеживается и в августе с меньшим разбросом значений. При сравнении массы хвои 3-го года жизни в зонах сильного загрязнения и контроля выясняется, что достоверных различий не наблюдается на протяжении всего вегетационного периода. В зоне среднего загрязнения наблюдается рост массы хвои по сравнению с другими пробными площадями в течение всего вегетационного периода. В июне масса 100 хвоинок в зоне среднего загрязнения составляет 164 мг, что на 19 мг больше, чем зоне контроля и на 23 мг больше, чем в зоне сильного загрязнения. В июле 100 хвоинок в зоне среднего загрязнения весят 247 мг, что на 67 мг больше, чем в зоне контроля и на 58 мг больше, чем в зоне сильного загрязнения. И, наконец, в августе масса 100 хвоинок в зоне среднего загрязнения составляет 183 мг, что на 35 мг больше, чем зоне контроля и на 33 мг больше, чем в зоне сильного загрязнения.

Изучая динамику годового прироста древесины на разных пробных площадях, отметим, что до 1976 г. значения приростов древесины в насаждениях, расположенных на разном удалении от источника нефтехимического загрязнения, варьируют слабо, в пределах от 2,75 до 4,1 мм (средние значения). С 1977 по 1987 гг. наблюдается разница в динамике прироста с пробных площадей, которая заключается в значительном и постоянном превосходстве показаний с пробной площади, расположенной в зоне сильного загрязнения. Максимальное среднее значение прироста составляет 7,4 мм (зона сильного загрязнения, 1986 г.), при этом показатели в зонах среднего загрязнения и контроля составляют 4 мм. Минимальное значение наблюдается в 1980 г. в зоне среднего загрязнения (1,7 мм). При этом в контроле среднее значение прироста равно 2,5 мм, а в зоне сильного загрязнения - 4,5 мм. За указанные годы разница в средних приростах составляла от 19,8 до 63% между минимальными и максимальными показателями. Замечено, что в разные годы промежуточное положение занималось как показателями из зоны контроля, так и зоне среднего загрязнения.

С 1987 по 1992 гг. наблюдаются различные значения в интервале от 2,5 до 4,6 мм, причем в разные годы лидируют приросты в зонах среднего и сильного загрязнения, а значения в контроле занимают промежуточное положение и колеблются слабо (от 3 до 3,6 мм). С 1993 г. постоянно лидируют показатели из зоны контроля, а в зоне сильного загрязнения почти постоянно наблюдаются минимальные значения годовых приростов. В зоне среднего загрязнения показатели в основном занимают промежуточное положение. За указанные годы разница в средних приростах составляла от 9,9 до 60,2% между минимальными и максимальными показателями. Максимальное среднее значение прироста составляет 4,7 мм (в контроле, 2000 г.), минимальное - 1,75 мм (зона сильного загрязнения, 1998 г.).

При сравнении возрастной динамики годовых приростов выявляется корреляция показателей, которая заключается в совпадении скачков прироста на разных пробных площадях как в большую, так и в меньшую сторону. Исключением из тенденции являются 4, 6, 8, 11, 16, 23, 24, 27 годы жизни. Среди средних приростов древесины не наблюдается абсолютного первенства на разных пробных площадях, что, по-видимому, свидетельствует о наличии сложной совокупности факторов, влияющих на величину годового прироста. Предполагается, что фактор загрязнения воздуха с преобладанием углеводородной составляющей, не играет ведущей роли в закладке нового слоя древесины.

Увеличение радиуса ствола до достижения 25летнего возраста происходит быстрее в зоне контроля, у елей старше 25 лет рост ствола в толщину в зонах контроля и сильного загрязнения происходит одинаково, а в зоне среднего загрязнения отстает уже начиная с 7-летнего возраста.

Отмеченные изменения в формировании надземных органов и стволовой древесины ели сибирской в условиях углеводородного загрязнения можно рассматривать как адаптивные реакции данного вида на действие промышленного загрязнения, направленные на обеспечение устойчивого роста и развития деревьев данного вида в экстремальных лесорастительных условиях.

Работа выполнена при поддержке гранта «Адаптивный потенциал и устойчивость древесных растений в техногенных условиях» (АВЦП МОН РФ ««Развитие научного потенциала высшей школы». Рег. номер: 2.1.1/11330).