Влияние промышленных выбросов на морфологические признаки листьев озеленяемых растений
Автор: Рахимов Тулкин Уктамович, Юсупов Икрам, Боиров Зафар Равшанович
Журнал: Природные системы и ресурсы @ns-jvolsu
Рубрика: Экология и биология
Статья в выпуске: 2 т.10, 2020 года.
Бесплатный доступ
В настоящее время исследования промышленной среды и связанные с ними теоретические и прикладные экологические проблемы, несомненно, актуальны. Поэтому показатели экологического мониторинга озеленяемых древесных пород является основными показателями экологической обстановки промышленных зон аридной зоны Юга Узбекистана. В статье исследовано влияние SO2 на морфометрический показатель пластин листьев некоторых посаженных деревьев. Согласно собранной информации, предусматривается морфометрический показатель пластин листьев и его связь с концентрацией серы в атмосфере. На основании изменений морфолого-анатомических и некоторых биологических показателей выявлены степень устойчивости озеленяемых пород. Полученные результаты работы могут быть использованы в мониторинге зеленых насаждений промышленных регионов, а также для прогнозирования последствий загрязнения окружающей среды. Результаты исследований могут служить научной основой при подборе и районирования древесных пород для озеленения промышленных центров аридной зоны. Изменение признаков в сторону ксероморфности, по нашим наблюдениям, проявляет прямую взаимосвязь с газоустойчивостью, так как, эти показатели зависят от структурных особенностей листовой пластинки. В частности, ксероморфными являются такие признаки как: уменьшение листовой пластинки, увеличение опушения, возрастание числа устьиц на мм2, длина жилкования и др. Для озеленения улиц и парков в условиях аридной зоны, рекомендуем использовать ясень. Благодаря высоким декоративным и засухоустойчивым свойствам их следует использовать в групповых, линейных, аллейных, а также смешанных посадках. Учитывая газоустойчивость, засухоустойчивость, а также солевыносливость вяза и айвы, рекомендуем использовать его для озеленения промышленных регионов, а также для полезащитных насаждений. В крупных промышленных центрах рекомендуем для озеленения использовать клен, ясень и вяз, так как они обладают более устойчивыми признаками к токсикантам, в особенности - к сернистому ангидриду. Анализируя полученные данные исследований, можно с уверенностью утверждать, что существует взаимосвязь между концентрацией сернистого ангидрида и морфометрическими показателями листовых пластинок озеленяемых древесных пород в условиях промышленных зон.
Листья, выбросы, ответная реакция, морфология, устойчивость
Короткий адрес: https://sciup.org/149131476
IDR: 149131476 | DOI: 10.15688/nsr.jvolsu.2020.2.3
Текст научной статьи Влияние промышленных выбросов на морфологические признаки листьев озеленяемых растений
DOI:
Цитирование. Рахимов Т. У., Юсупов И., Боиров З. Р. Влияние промышленных выбросов на морфологические признаки листьев озеленяемых растений // Природные системы и ресурсы. – 2020. – Т. 10, № 2. – С. 26–32. – DOI:
Введение. Интенсивное развитие промышленности и сельского хозяйства требует всестороннего учета загрязнения атмосферы, природных вод, почв, его влияния на растительный и животный мир, на здоровье и благосостояние человека, а также и прогнозной оценки влияния загрязнений на различные экосистемы и биосферу в целом. Эта проблема может быть успешно решена только совместными усилиями специалистов самых разных отраслей науки и техники.
В решении проблемы сохранения чистоты окружающей среды один из несомненных приоритетов принадлежит мониторингу древесных пород-озеленителей, которые являются основными биологическими фильтрами для крупных городов и промышленных центров. В Узбекистане для озеленения городов и промышленных объектов используются более 100 видов декоративных древесных и кустарниковых пород. На основе комплексных исследований их биологических признаков, включая морфолого-анатомические и физиологобиохимические, можно выявить степень устойчивости тех или иных видов к различным загрязнителям с целью использования в оптимизации экологической обстановки региона и снижения последствий антропогенной деятельности.
Биомониторинг является составной частью экологического мониторинга слежения за состоянием окружающей среды по морфометрическим показателям особенно растений. В задачи биомониторинга входит регулярно проводимая оценка качества окружающей среды с помощью широко распространенных в промышленных зонах эндемичных и акли-матизированных древесных пород по морфометрическим признакам.
В настоящее время исследования промышленной среды и связанные с ними теоретические и прикладные экологические проблемы, несомненно актуальны. В последние десятилетия наблюдается интенсивное насыщение атмосферы газообразными и пылевидными отходами промышленных предприятий [2]. Они вызывают ухудшение условий существования биоты, создавая угрозу здоровью населения, нарушению климата в локальных и глобальных масштабах [4]. В связи с этим остро ощущается потребность в научно-обоснованных и практических мероприятиях по предотвращению загрязнения атмосферы и сохранению оптимальных условий существованию биосферы в целом [3].
Если рассматривать фитоценоз загрязняющее вещество первоначально поступает в растение через устьица – отверстия, имеющееся на листьях, в нормальных условиях, использующихся для газообмена. Диоксид серы, прежде всего, воздействует на клетки, которые регулируют открывание этих отверстий. Степень их открывания и факторы, влияющие на нее, в начальный период являются основными параметрами, определяющими интенсивность воздействия загрязнителей. Даже при очень малых концентрациях диоксид серы способен оказывать стимулирующее действие, в результате которого при достаточно высокой относительной влажности устьица остаются постоянно открытыми. В то же время при высоких концентрациях диоксида углерода устьица закрываются. Кроме того, в случае высокой влажности устьица открываются, в случае низкой – закрываются.
Однако сера необходима для нормального роста растений, и присутствие SO2 может оказывать влияние и на усвояемость серы. Растения потребляют серу в восстановленном состоянии. В присутствии SO2 основным продуктом становится сульфат; присутствует также цистеин, глютатион, и, по меньшей мере, одно не идентифицированное вещество. Основными промежуточными соединениями при восстановлении сульфатов являются сульфиты.
Растения как продуценты экосистем в течение всей жизни, привязанные к локальной территории и подверженные влиянию двух сред – почвенной и воздушной, наиболее полно отражают весь комплекс воздействий на систему [6]. Наглядными морфометрическими показателями состояния древесных популяций являются: длина и ширина листовой пластинки, площадь листовой поверхности и удельная плотность листа, отражающие все многообразие действующих факторов. Морфометрические измерение листовых пластинок проводилось по стандартной методике А.Е. Васильева [2].
Анализ литературных данных показал вместе, что ранее практически не было изучено влияние промышленных выбросов на важнейшие биологические признаки таких пород деревьев как Acer negundo L . (клен ясенелистный), Fraxinus syriaca Boiss . (ясень сирийский) и Ulmus pumila L. (вяз приземистый), перспективных для озеленения промышленных зон в Узбекистане, в частности – в аридных условиях Кашкадарьинской области (на примере промышленных объектов).
Нами было проанализировано изменение этих показателей на примере плодовых Cydonia oblonga Mill. – Айва обыкновенная, и озеленяемых (Ulmus pumila L. – Вяз приземистый, Fraxinus syriaca Boiss. – Ясень сирийский разных по устойчивости древесных пород произрастающих на территории Мубарекско-го газоперерабатывающего завода (Опыт-1), Шуртаннефтгаз УДП (Опыт-2), Шуртанского газохимического комплекса (Опыт-3) под влиянием SО2 и относительно чистая санитарная зона города Карши (Контроль) [8]. Кроме того, нами была исследована агроклиматическая и производственная характеристика районов исследования (см. табл. 1). Основным загрязнителем окружающей среды исследуемых промышленных зон является сернистый ангидрид.
Уже давно исследователями замечено, что вблизи предприятий, выбрасываемых в атмосферу большое количество пылевидных частиц, линейные размеры ассимиляционных органов и прирост побегов растений меньше в 2–5 раз по сравнению с растениями вне зоны запыления [3].
Проведенные нами измерения длины сложного листа ясеня и простых листовых пластинок айвы и вяза показывают, что мак- симальная длина листовой пластинки отмечена у деревьев, произрастающих в контрольной зоне города Карши и в Опыт-3 ( в Карши вяз – 6,2 мм; ясень – 4,7 мм; айва – 7,9 мм и в участках ШГХК вяз – 6,1 мм; ясень – 4,5 мм; айва – 7,5мм), и разница между этими точками незначима (табл. 2). На этих же исследуемых районах нами выявлено самое минимальное содержание сернистого ангидрида в воздухе (табл. 1). Относительно близкие значения имеют показатели, полученные на Опыт-1 (вяз – 5,8 мм; ясень – 4,4 мм; айва – 7,2 мм) и Опыт-2 (вяз – 5,9 мм; ясень – 4,5 мм; айва – 7,5 мм).
Достоверная разница в изменении длины листа на этих объектах статистически относительно значимо отличается от условного контроля. И самая минимальная длина листовой пластинки была замечена в самых загрязненных районах исследования, на участке Опыт-1 (вяз – 5,8 см; ясень – 4,4 см; айва –
7,2 см) и Опыт-2 (вяз – 5,9 см; ясень – 4,5 см; айва – 7,5 см), где установлено самое высокое содержание SO2. Эти значения статистически значимо различаются от всех остальных.
Аналогичная картина характерна и для признака – ширина листовой пластинки. Также нами установлено, что наиболее широкие листья на деревьях в контроле и в Опыт-3 (вяз – 4,3 см; ясень – 2,6 см; айва – 4,6 см и соответственно вяз – 4,4 см; ясень – 2,4 см; айва – 4,1 см). А наименьший размер ширины листовой пластинки исследуемых пород снова отмечен на участке Опыт-1 (вяз – 4,1 см; ясень – 2,3 см; айва – 4,1 см) и Опыт-2 (вяз – 4,1 см; ясень – 2,3 см; айва – 4,3 см). Двухфакторный дисперсионный анализ показал относительно статистически значимую разницу по ширине листа древесных пород между двумя последними опытными районами исследования и остальными районами.
Таблица 1
Краткая характеристика районов исследования, 2016 г.
Районы исследования |
Концентрация SO 2 в атмосфере, г/м3 |
Гумус, мг/кг |
Среднегодовая тем-ра воздуха, ОС |
Осадки, мм |
Вегетационный период, дни |
Санитарная зона г. Карши |
0,005±0,0015 |
0,9–1,6 |
14,3 |
240 |
298 |
Опыт-1 (МГПЗ) |
0,043±0,018 |
0,6–0,8 |
14,9 |
165 |
283 |
Опыт-2 (Шуртаннефтгаз УДП) |
0,036±0,015 |
0,9–1,1 |
15,7 |
210 |
301 |
Опыт-3 Шуртан ГХК |
0,024±0,009 |
0,8–1,3 |
15,7 |
210 |
301 |
ПДК (для древесных видов) |
0,03 |
1,9–2,4 |
– |
– |
– |
Таблица 2
Средние значения морфометрических показателей исследуемых пород
Районы исследования |
Контроль |
Опыт-1 |
Опыт-2 |
Опыт-3 |
|
Концентрация SO 2 , мг/м3 |
0,005±0,0015 |
0,043±0,018 |
0,036±0,015 |
0,024±0,009 |
|
я м |
Прирост годичного побега,(см) |
53,4±1,92 |
46,7±2,28 |
48,1±2,45 |
50,8±2,43 |
Длина листа, (см) |
6,2±0,71 |
5,8±0,65 |
5,9±0,89 |
6,1±0,67 |
|
Ширина листа, (см) |
4,3±0,92 |
4,1±0,71 |
4,1±0,75 |
4,2±0,086 |
|
Площадь лист. пл., (см2) |
26,6±1,23 |
23,8±1,02 |
24,8±0,94 |
25,0±0,70 |
|
Уд. пов. плотн. листа, (гр/см2) |
0,024±0,0011 |
0,021±0,0018 |
0,024±0,0010 |
0,023±0,0009 |
|
Длина черешка, (см) |
2,1±0,044 |
1,97±0,045 |
2,08±0,05 |
2,1±0,058 |
|
s |
Прирост годичного побега,(см) |
28,8±1,06 |
25,7±0,97 |
25,3±1,23 |
25,9±1,52 |
Длина листа, (см) |
4,7±0,073 |
4,4±0,061 |
4,5±0,051 |
4,5±0,086 |
|
Ширина листа, (см) |
2,6±0,061 |
2,3±0,41 |
2,3±0,39 |
2,4±0,040 |
|
Площадь лист. пл., (см2) |
36,60±1,56 |
30,36±1,42 |
31,05±1,33 |
32,4±1,06 |
|
Уд. поверх. плот. листа, (гр/см2) |
0,036±0,0012 |
0,031±0,0011 |
0,033±0,0022 |
0,031±0,0031 |
|
Длина черешка, (см) |
5,6±0,11 |
5,2±0,088 |
5,3±0,11 |
5,3±0,12 |
|
Прирост годичного побега,(см) |
31,8±1,32 |
28,6±1,01 |
29,8±0,99 |
29,7±1,13 |
|
Длина листа, (см) |
7,9±0,14 |
7,2±0,072 |
7,5±0,18 |
7,5±0,20 |
|
Ширина листа, (см) |
4,6±0,071 |
4,1±0,065 |
4,3±0,051 |
4,4±0,061 |
|
Площадь лист. пл., (см2) |
36,34±1,28 |
29,52±1,32 |
32,25±0,93 |
30,75±0,64 |
|
Уд. поверх. плот. листа, (гр/см2) |
0,019±0,0054 |
0,017±0,0052 |
0,017±0,0024 |
0,017±0,0021 |
|
Длина черешка, (см) |
2,1±0,051 |
1,9±0,022 |
2,09±0,037 |
1,9±0,041 |
Таким образом, данные двухфакторного дисперсионного анализа показывают статистически значимое влияние района исследования на длину и ширину листовой пластинки исследуемых пород.
Также нами установлена обратная корреляционная зависимость между содержанием сернистого ангидрида в атмосферном воздухе и изменением параметров длины (r = – 0,85) и ширины (r = – 0,79) листа у вяза, длины (r = – 0,89) и ширины (r = – 0,84) листа у ясеня и длины (r = – 0,87) и ширины (r = – 0,82) листа у айвы. Кроме того, мы видим, что эти признаки коррелируют между собой (r = 0,90).
По литературным данным известно, что площадь листовой поверхности и удельная поверхностная плотность листа (УППЛ) являются диагностическими признаками устойчивости древесных растений в условиях городской среды [1]. Интенсивность фотосинтеза зависит от площади листовой пластинки, которая влияет и на продуктивность [9; 10; 11]. Косвенным показателем продуктивности является УППЛ.
При изучении такого морфометрического показателя, как площадь листовой пластинки нами получены следующие результаты: наименьшее значение площади листа характерно для участков Опыт-1 (вяз – 23,8 см2; ясень – 30,36 см2; айва – 29,52см2), где и обнаружено относительно высокое содержание диоксида серы, затем по возрастанию площади и уменьшению содержания SO2 в воздухе идут участок Опыт-2 (вяз – 24,8 см2; ясень – 31,05 см2; айва – 30,75 см2) и Опыт-3 (вяз – 25,0 см2; ясень – 32,4 см2; айва – 30,75 см2) с почти одинаковыми результатами и контрольный участок с наибольшей площадью листовой пластинки и наименьшим количеством сернистого ангидрида в воздухе.
Существуют сведения, что удельная поверхностная плотность листа связывает процессы роста и фотосинтеза, так как отражает накопление сухого вещества единицей поверхности. Чем выше УППЛ, тем эффективнее идут процессы фотосинтеза, так как в расчете на единицу поверхности листа синтезируется большая биомасса [5; 7].
Наши исследования по измерению УППЛ показали, что с увеличением содержания сернистого ангидрида и пыли в возду- 30
хе увеличивается плотность листа. Так, на контрольных участках и Опыт-3 отмечены относительно максимальные значения УППЛ, которые составили соответственно у вяза – 0,024 гр/см2; у ясеня – 0,036 гр/см2; у айвы – 0,019 гр/см2 и у вяза – 0,023 гр/см2; у ясеня – 0,031 гр/см2; у айвы – 0,017гр/см2 соответственно, тогда как в Опыте-1 всего у вяза 0,021 гр/см2; у ясеня – 0,031 гр/см2; у айвы – 0,017 гр/см2 и Опыте-2 у вяза – 0,024 гр/см2; у ясеня – 0,033 гр/см2; у айвы – 0,017гр/см2. Кроме того, именно на Опыт-1 и Опыт-2 нами обнаружено самое высокое содержание SO2 и пыли. Также мы видим, что на контрольных участках плотность листа составила у вяза – 0,024 гр/см2; у ясеня – 0,036 гр/см2; у айвы – 0,019 гр/см2, что примерно в 1,15–1,2 раза больше чем в Опыте-1. Двухфакторный дисперсионный анализ показал достоверную разницу в изменении удельной поверхностной плотности листа и влияния районов исследования (Р < 0,10). Проведя корреляционный анализ данного признака, мы определили, что существует обратная зависимость между УППЛ листовой пластинки и содержанием диоксида серы в воздухе. (r = – 0,79). При построении графика зависимости взят десятичный логарифм УППЛ листовой поверхности.
Заключение. На основании изменений морфолого-анатомических и некоторых биологических показателей выявлены степень устойчивости озеленяемых пород. Полученные результаты работы могут быть использованы в мониторинге зеленых насаждений промышленных регионов, а также для прогнозирования последствий загрязнения окружающей среды. Результаты исследований могут служить научной основой при подборе и районирования древесных пород для озеленения промышленных центров аридной зоны.
Изменение признаков в сторону ксеро-морфности, по нашим наблюдениям, проявляет прямую взаимосвязь с газоустойчивостью, так как, эти показатели зависят от структурных особенностей листовой пластинки. В частности, ксероморфными являются такие признаки как: уменьшение листовой пластинки, увеличение опушения, возрастание числа устьиц на мм2, длина жилкования и др.
Для озеленения улиц и парков в условиях аридной зоны рекомендуем использовать ясень. Благодаря высоким декоративным и засухоустойчивым свойствам их следует использовать в групповых, линейных, аллейных, а также смешанных посадках. Учитывая га-зоустойчивость, засухоустойчивость, а также солевыносливость вяза и айвы, рекомендуем использовать его для озеленения промышленных регионов, а также для полезащитных насаждений.
Рекомендуем смешанные посадки с сосной эльдарской и сафорой японской, клена ясенелистного и ясеня сирийского, так как. они обладают относительно высокими фитонцидными, пылезадерживающими свойствами, а также соответствующей устойчивостью к промышленным выбросам. Такая комбинация насаждений способствует очистке воздуха от патогенных микроорганизмов, пыли и токсикантов. Использование этих пород мы рекомендуем для озеленения лечебных и рекреационных пансионатов, школ и детских садов.
В крупных промышленных центрах рекомендуем для озеленения использовать клен, ясень и вяз, так как они обладают более устойчивыми признаками к токсикантам, в особенности – к сернистому ангидриду.
Список литературы Влияние промышленных выбросов на морфологические признаки листьев озеленяемых растений
- Васильев, А. Е. Ботаника, Морфология и анатомия растений / А. Е. Васильев. - М. : Наука, 1988. - 327 с.
- Воскресенская, О. Л. Организм и среда: фак-ториальная экология / О. Л. Воскресенская, Е. А. Ско-чилова. - Йошкар-Ола : МарГУ 2005. - 175 с.
- Илькун, Г. М. Отфильтровывание воздуха от поллютантов древесными растениями / Г. М. Илькун. - Таллин : [б. и.], 1982. - 138 с.
- Калверт, С. Защита атмосферы от промышленных загрязнений / С. Калверт, Г. Инглунд. - М. : Металлургия, 1988. - 286 с.
- Кузьмин, А. В. Этология многоуровневых систем устойчивости интродуцированных и аутох-тонных древесных растений / А. В. Кузьмин. - Апатиты : КНЦ РАН, 2001. - 251 с.
- Рунова, Е. М. Экологический мониторинг лесных биоценозов в зонах промышленных выбросов / Е. М. Рунова // Природные и интеллектуальные ресурсы Сибири. - Томск : ТГУ 2004. - С. 132-135.
- Чекрыгин, В. В. Особенности регулирования светового режима в насаждениях яблони Западного Предкавказья : автореф. ... канд. биол. Наук / Чекрыгин Валентин Васильевич. - Краснодар, 2005. -25 с.
- Чичев, А. В. Практикум по анатомии и морфологии растений / А. В. Чичев, И. И. Андреева , Л. С. Родман. - М. : Колос, 2005. - 159 с.
- Ahmad, M. Seeing the World in Red and Blue: Insight Info Plant Vision and Photoreceptors / M. Ahmad // Current Opinion in Plant Biology. -1999. - Vol. 2. - P. 230-235.
- Briggs, W. R. Blue-Light Photoreceptors in Higher Plants / W. R. Briggs, E. Huala // Annu. Rev. Cell Dev. Biol. - 1999. - Vol. 15. - P. 33-62. - DOI: https://doi.org/10.1146/annurev.cellbio.15.L33.
- Lin, C. Plant Blue-Light Receptors / C. Lin // Trends in Plant Science. - 2000. - Vol. 5, № 8. -P. 337-342.