Скрининговая оценка экологического состояния городской среды по древесным культурам
На правах рукописи
Дружкина Татьяна Алексеевна
Скрининговая оценка
экологического состояния
городской среды
по древесным культурам
Специальность: 03.00.16 – Экология
Автореферат
диссертации на соискание ученой степени
кандидата биологических наук
Астрахань – 2007
Работа выполнена в Федеральном государственном образовательном
учреждении высшего профессионального образования «Саратовский
государственный аграрный университет имени Н.И. Вавилова»
Научный руководитель: Почетный работник высшего
профессионального образования РФ,
доктор химических наук,
профессор Гусакова Наталия Николаевна
Официальные оппоненты:
Доктор биологических наук, профессор
Пилипенко Владимир Николаевич
Астраханский государственный университет
Доктор биологических наук, профессор
Бакташева Надежда Мацаковна
Калмыцкий государственный университет
Ведущая организация: ФГОУ ВПО «Ульяновский государственный
университет?
Защита состоится « 9 » ноября 2007 года в 14-00 часов на заседании диссертационного совете ДМ 212.009.02 при Астраханском государственном университете по адресу: 414000, г. Астрахань, пл. Шаумяна 1, Естественный институт АГУ.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Естественного института АГУ по адресу: 414000, г. Астрахань, пл. Шаумяна 1, Естественный институт.
Автореферат разослан « » 2007 г.
Ученый секретарь
диссертационного совета М.И.Пироговский
ВВЕДЕНИЕ
Актуальность темы. Города, как промышленные центры, характеризующиеся высокой концентрацией производства и населения, оказывают постоянно усиливающееся многостороннее воздействие на окружающую среду и здоровье населения. В настоящее время имеется большой арсенал методов для выявления различных неблагоприятных воздействий на состояние окружающей среды. Существующая система контроля качества среды базируется на данных по физико-химическому анализу объектов окружающей среды, по состоянию биоразнообразия и других. Для проведения оценки качества окружающей среды на всех уровнях применяются различные подходы, но особенно важной является биологическая оценка. Это связано с тем, что именно состояние живых организмов позволяет прогнозировать такие изменения в окружающей среде, которые могут привести к необратимым последствиям. В трудах Центра Экологической Политики России (ЦЭПР) показано, что стабильность развития как способность организма к нормальному развитию является чувствительным индикатором состояния природных популяций и позволяет оценивать суммарную величину антропогенной нагрузки. Наиболее простым и доступным для использования способом оценки стабильности развития является определение величины флуктуирующей асимметрии билатеральных морфологических признаков (ФА).
Учитывая, что экологический каркас любого города образован разными по происхождению, назначению и структуре зелеными насаждениями, перспективной и актуальной является оценка стабильности развития древесных культур, как маркеров состояния окружающей среды, вместе с тем в литературе имеется единичное количество работ по этому направлению.
Актуальность данной тематики связана также с тем, что определение стабильности развития древесных культур дает возможность экспрессной оценки экологического состояния городской среды и принятия срочных решений по ее оздоровлению.
Диссертация выполнена в соответствии с госбюджетными планами НИР ФГОУ ВПО «Саратовский ГАУ имени Н.И.Вавилова» по теме «Разработка стратегии повышения эффективности биоиндикационных методов оценки состояния урбанизированных территорий».
Цель и задачи исследования. Целью настоящей работы явилось комплексное изучение биоиндикационных свойств древесных культур и прогнозирование качества городской среды.
Для реализации этой цели необходимо было решить следующие задачи:
- изучить стабильность развития семи древесных культур в условиях различных антропогенных нагрузок на основе расчета флуктуирующей асимметрии листьев,
- выявить древесные культуры, наиболее эффективные биоиндикаторы,
- исследовать ответную реакцию древесных культур на загрязнения, выражающуюся в накоплении суммы фенольных соединений в листьях,
- оценить состояние воздушного бассейна на территориях исследуемых ландшафтно-архитектурных ансамблей по физико-химическим характеристикам снегового покрова,
- определить состояние почвенного покрова на территориях исследуемых ансамблей по интегральным физико-химическим характеристикам почв,
- установить корреляционные зависимости между нарушением стабильности развития древесных культур и физико-химическими характеристиками объектов окружающей среды,
- составить биоиндикационный ряд древесных культур, который может быть использован для прогнозирования качества среды локальных городских биоценозов,
- предложить рациональный ассортимент древесных культур для скрининговой оценки экологического состояния городской среды по древесным культурам.
Научная новизна. Впервые проведено комплексное исследование реакции древесных культур на антропогенное воздействие биологическими и физико-химическими методами, проведен сравнительных анализ ответных реакций древесных культур на схожих участках.
- Построен биоиндикационный ряд изученных древесных культур по степени чувствительности к городскому антропогенному прессингу;
- Выявлены корреляционные связи показателей флуктуирующей асимметрии листьев древесных культур с концентрацией фенольных соединений образующихся в листьях, в качестве защитной реакции;
- Установлена четкая аналогия в оценке качества локальных биоценозов, проведенная двумя независимыми методами – биологическом, основанном на морфометрическом анализе листьев и химическом, основанном на титриметрическом определении суммы фенольных соединений в листьях древесных культур;
- Оценена кислотность и минерализация снежного покрова на изучаемых ландшафтно-архитектурных ансамблях ионометрическим методом;
- Выявлена зависимость изменения флуктуирующей асимметрии листьев древесных культур от интегральных физико-химических характеристик почв;
- Показана возможность прогнозирования качества почв на основе скрининговой оценки стабильности развития древесных культур;
- Установлены древесные культуры, устойчивые к загрязнению, которые могут быть рекомендованы для озеленения антропогенно-депрессионных территорий;
- Определен круг древесных растений, чувствительных биоиндикаторов, которые могут быть использованы как маркеры качества антропогенно измененной городской среды.
Получены новые знания о биоиндикационных свойствах древесных культур, которые могут служить показателями для экспрессной оценки городской среды, а также положены в основу экологического мониторинга на территориях промышленных центров.
Практическая значимость работы. Результаты диссертационного исследования являются вкладом в разработку теоретических и практических основ экологического мониторинга антропогенно измененной городской среды.
Выявленные закономерности могут быть реализованы в качестве методической основы для скрининговой оценки качества окружающей среды, экспрессного определения патогенных территорий.
Полученные результаты имеют практический интерес для организации ландшафтно-архитектурного дизайна города и построения его экологического каркаса.
Новый методологический подход может быть использован для выбора рационального ассортимента древесных культур при составлении программ озеленения города.
В ходе исследования были получены обширные базы данных, включающие характеристики состояния древесных культур, воздушного бассейна, физико-химических характеристик почвенного покрова исследуемых ландшафтно-архитектурных ансамблей, которые представляют интерес для определения масштабов экологического риска от деятельности передвижных и стабильных источников загрязнения.
Результаты исследования переданы в «Комитет охраны окружающей среды и природопользования Саратовской области» для корректировки, улучшения структуры и состояния существующих насаждений древесных культур, а также планирования и создания новых перспективных ландшафтно-экологических ансамблей.
Материалы диссертации внедрены в учебный процесс: используются для чтения лекционного курса и проведения практикума по дисциплине «Экологическая химия» для студентов специальностей «Агроэкология», «Защита растений», «Лесное хозяйство», «Садово-парковое и ландшафтное строительство» в ФГОУ ВПО «Саратовский ГАУ имени Н.И. Вавилова», а также при чтении лекций, проведении лабораторных работ и курсового проектирования по дисциплинам «Экология растений», «Экологическая токсикология» для студентов архитектурно-строительного и энергетического, транспортного факультетов Саратовского государственного технического университета.
Апробация результатов исследования. Основные результаты диссертационного исследования были доложены и обсуждены на следующих конференциях: Международной научной конференции «Эколого-биологические проблемы бассейна Каспийского моря (Астрахань, 2005, 2006); межвузовской научной конференции студентов, аспирантов, адъюнктов «Экологический кризис. Закон. Человек» (Саратов, 2005); 10-й Пущинской школе-конференции молодых ученых, посвященной 50-летию Пущинского научного центра РАН «Биология – наука XXI века» (Пущино, 2006); VI Всероссийской конференции по анализу объектов окружающей среды «Экоаналитика-2006» (Самара, 2006); III Всероссийской научно-практической конференции «Проблемы экологии и охраны природы. Пути их решения» (Ульяновск, 2006); II Всероссийской научно-технической конференции студентов и аспирантов, секция «Экология», (Екатеринбург, 2006); V Всероссийском научно-методическом семинаре «Модернизация современного образования: к экологической компетентности – через экологическую деятельность» (Санкт-Петербург, 2006); Х Докучаевских молодежных чтения «Почвы и техногенез» (Санкт-Петербург, 2007); Научно-практической конференции молодых ученых Приволжского федерального округа «Роль молодых ученых в реализации национального проекта «Развитие АПК» (Саратов, 2007); Международной конференции молодых ученых по фундаментальным наукам «Ломоносов-2006», секция «Почвоведение» (Москва, 2006), а также «Ломоносов-2007», секция «Биология» (Москва, 2007); Всероссийской научно-практической конференции «Вавиловские чтения», секция «Биология, Экология» (Саратов, 2005, 2006), I Международной интерактивной научной конференции «Современные аспекты экологии и экологического образования» (Астрахань, 2007), Международной научно-практической конференции «Экология биосистем: проблемы изучения, индикации и прогнозирования» (Астрахань, 2007), ежегодных научных конференциях профессорско-преподавательского состава по итогам научно-исследовательской и учебно-методической работы в СГАУ имени Н.И. Вавилова (Саратов 2004 – 2006).
Основные положения, выносимые на защиту:
- результаты стабильности развития древесных культур в условиях различных антропогенных нагрузок на основе расчета флуктуирующей асимметрии листьев и определения концентрации фенольных соединений в листьях,
- биоиндикационный ряд древесных культур – эффективных маркеров экологического состояния городских биоценозов,
- количественная оценка интегральных физико-химических характеристик антропогенно измененных городских почв и снежного покрова,
- методология скрининговой оценки качества городской среды по древесным культурам,
- предложения к формированию ассортимента древесных культур
для создания ландшафтно-экологических ансамблей.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 17 научных работ, в том числе 1 статьи в центральном журнале по списку ВАК РФ, 10 статей в сборниках трудов и материалов конференций, 6 тезисов докладов общим объемом 2,78 п.л., авторский вклад 1,94 п.л.
Личный вклад соискателя. Автор принимал личное участие в анализе и критической оценке литературных источников, сборе образцов листьев древесных культур, почвы и снега с 2004 по 2007 гг., постановке и проведении лабораторных исследований, обработке и анализе полученных экспериментальных данных, апробации и внедрении полученных результатов. Самостоятельно подготовленные автором рукописи диссертации, статей и тезисов докладов были отредактированы научным руководителем. Материалы диссертации изложены в работах опубликованных в соавторстве с научным руководителем и студентами 2-4 курсов, занимающихся НИРС под руководством автора. Доля личного участия автора в подготовке и написании всех публикаций составляет 70-80%.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 5 глав, выводов и предложений производству, списка литературы и приложения. Работа изложена на 191 странице компьютерного текста, иллюстрирована 13 таблицами и 120 рисунками. Список литературы включает 185 источников, в том числе более 50% на иностранных языках.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обосновывается актуальность работы, отмечается ее научная новизна и практическая значимость, формулируются цель и задачи исследования.
Глава 1 ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ БИОИНДИКАЦИИ
(обзор литературы)
В главе представлен обзор работ отечественных и зарубежных авторов посвященный рассмотрению общих вопросов теории биоиндикации, рассмотрены антропогенные факторы, вызывающие стресс у биологических систем, показана возможность осуществления биоиндикации на различных уровнях организации живой материи, раскрыты биохимические и физиологические реакции растений на антропогенные стрессоры, обосновано значение морфологических изменений для биоиндикации состояния окружающей среды (Запрометов, 1993, Захаров, 1993, Каплин, 2001, Кряжева, 1996, Львов, 1992, Стрельцов, 2004, Jager, 1980, Gluch, 1980). На основе критического анализа литературных сведений определены основные направления исследования и обоснована актуальность комплексного изучения биоиндикационных свойств древесных культур различными методами.
Глава 2. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
Все исследования осуществлены автором в 2005-2007 гг. на территории г. Саратова, а также в лесхозе «Ново-Бурасский», расположенном примерно в 100 км от города.
Объем и место сбора исследованного материала представлены в табл. 1.
За период исследования было проанализированного 31457 экземпляров листьев, 189 образцов почв с территории 12-ти ландшафтно-архитектурных ансамблей. Полученные данные обрабатывали при помощи пакета Statistika – 5.0., представляющего собой интегрированную систему статистического анализа и обработки данных.
Для расчета флуктуирующей асимметрии листьев древесных культур использовали систему морфологических признаков по методике «Биотест» Захарова В.М. и Кларк Д.М. (1993).
Анализ суммы фенольных соединений в листьях древесных культур проводили титриметрическим методом с индикатором индигокармином по методике Левенталя в модификации А.Л. Курсанова.
Отбор проб снега и анализ снеговой воды проводили согласно руководству
1. – Объем и места сборов исследованного материала
| № п/п | Место сбора материала | Число учтенных листьев | Количество образцов почв и снега | |
| 1 | Сквер Дворца культуры «Саратовстройстекло» | Береза повислая – Betula pendula Roth-100 (300) Каштан конский – Aesculus hippocastanum L.-98 (294) Липа мелколистная – Tilia cordata Mill-91 (273) Клен остролистный – Acer platanoides L.-89 (267) Тополь пирамидальный – Populus italika (Du Roi) Moench-100 (300) | 9 | |
| 2 | Сквер ТЦ «Поволжье» | Береза повислая – Betula pendula Roth-300 (900) Каштан конский – Aesculus hippocastanum L.-300 (900) Липа мелколистная – Tilia cordata Mill-300(900) Клен остролистный – Acer platanoides L.-300(900) Акация белая – Robinia pseudoacacia L.-300 (900) Сирень обыкновенная – Syringa vulgaris L.-300(900) Тополь пирамидальный –Populus italika (Du Roi) Moench -300 (900) | 27 | |
| 3 | Сквер «Дружба народов» (ОАО «Авиационный завод») | Береза повислая – Betula pendula Roth -300 (900) Липа мелколистная – Tilia cordata Mill-300 (900) Акация белая – Robinia pseudoacacia L.-300 (900) Сирень обыкновенная – Syringa vulgaris L.-300 (900) Тополь пирамидальный –Populus italika (Du Roi) Moench -300 (900) | 27 | |
| 4 | Бульвар по улице «Большая Садовая» (ОАО «Электроисточник») | Береза повислая – Betula pendula Roth -300 (900) Каштан конский – Aesculus hippocastanum L.-300 (900) Липа мелколистная – Tilia cordata Mill-300 (900) Тополь пирамидальный – Populus italika (Du Roi) Moench -300 (900) | 27 | |
| 5 | Бульвар по улице им. П.Г. Рахова и аллея Кадетов | Береза повислая – Betula pendula Roth -100 (300) Каштан конский – Aesculus hippocastanum L.-94(282) Тополь пирамидальный – Populus italika (Du Roi) Moench -100 (300) | 9 | |
| 6 | Ландшафтно-архитектурный ансамбль «Городок СГУ» | Береза повислая – Betula pendula Roth -300 (900) Липа мелколистная – Tilia cordata Mill-300 (900) Клен остролистный – Acer platanoides L.-300 (900) Акация белая – Robinia pseudoacacia L.-300 (900) Тополь пирамидальный – Populus italika (Du Roi) Moench -300 (900) | 27 | |
| 7 | Парк «Липки» | Береза повислая – Betula pendula Roth -200(600) Каштан конский – Aesculus hippocastanum L.-200(600) Липа мелколистная – Tilia cordata Mill-200(600) Клен остролистный – Acer platanoides L.-200(600) Тополь пирамидальный – Populus italika (Du Roi) Moench -200(600) | 18 | |
| 8 | Сквер «Театральная площадь» | Береза повислая – Betula pendula Roth -100 (300) Клен остролистный – Acer platanoides L.-98 (294) Тополь пирамидальный – Populus italika (Du Roi) Moench -100 (300) | 9 | |
| 9 | Ландшафтно-архитектурный ансамбль «Набережная Космонавтов» | Береза повислая – Betula pendula Roth -100 (300) Каштан конский – Aesculus hippocastanum L.-94 (282) Липа мелколистная – Tilia cordata Mill-99 (297) Клен остролистный – Acer platanoides L.-91 (273) Акация белая – Robinia pseudoacacia L.-90 (270) | ||
| 10 | Сквер Театра «Оперы и балета» | Береза повислая – Betula pendula Roth -100 (300) Липа мелколистная – Tilia cordata Mill-96(288) Клен остролистный – Acer platanoides L.-93 (273) Акация белая – Acacia alba L.-88 (279) Тополь пирамидальный – Populus italika (Du Roi) Moench -100 (300) | 9 | |
| 11 | Сквер на площади С.М. Кирова | Береза повислая – Betula pendula Roth -100 (300) Каштан конский – Aesculus hippocastanum L.-98 (294) Липа мелколистная – Tilia cordata Mill-95 (285) Клен остролистный – Acer platanoides L.-98 (294) Акация белая – Robinia pseudoacacia L.-89 (267) Тополь пирамидальный – Populus italika (Du Roi) Moench -100 (300) | 9 | |
| 12 | Лесхоз «Ново-Бурасский» | Береза повислая – Betula pendula Roth -100 (300) Каштан конский – Aesculus hippocastanum L.-99 (297) Липа мелколистная – Tilia cordata Mill-98(284) Клен остролистный – Acer platanoides L.-99(297) Акация белая – Robinia pseudoacacia L.-89 (267) Тополь пирамидальный – Populus italika (Du Roi) Moench -100 (300) | 9 | |
по контролю загрязнения атмосферы – РД 52.04.186-89. Для отбора проб использовали стандартный снегомер. Измеряли рН талой снеговой воды потенциометрическим методом с помощью иономера И-500 в трехкратной повторности, минерализацию снеговой воды измеряли на приборе кондуктометр «Анион-7020», пересчет общего количества солей производили на хлорид натрия.
Отбор проб проводили в соответствии с ГОСТ 28168-89, пробоподго-товку и анализ почв – по ГОСТ 26483-85. Измерения проводили потенцио-метрическим методом на ионометре И-500. При определении рН использо-вали электродную систему, включающую электрод сравнения ЭВЛ-1М 3.1 и стеклянный электрод с водородной функцией ЭСЛ-63-07. Окислительно-восстановительный потенциал почв измеряли в милливольтах как обратимый потенциал комбинированного электрода ЭСК- 10601/7.
Глава 3. ПРИРОДНО-ЛАНДШАФТНАЯ И КЛИМАТИЧЕСКАЯ
ХАРАКТЕРИСТИКА САРАТОВА
Саратов расположен в широкой котловине, которая окружена грядами Приволжской возвышенности, город растянулся вдоль Волги на 33 км. К спе-цифике городского ландшафта относят плохую проветриваемость воздушно-го бассейна, наличие оползневых участков и зон близкого залегания подзем-ных вод. Площадь городской территории 377,9 км2, численность населения – 864,6 тыс. человек.
Климат континентальный, в городе выпадает в среднем 416 мм осадков, преобладают ветра северо-западного, западного и юго-восточного направлений, средняя скорость ветра 2,8 м/сек.
По промышленному потенциалу г. Саратов относится к крупнейшим городам России с многопрофильной промышленностью, главными среди отраслей которой являются нефтеперерабатывающая, химическая, электро-энергетическая, стройиндустрия и др. Объем выбросов загрязняющих веществ в атмосферу от стационарных источников промышленных предприятий в 2006 г. составил 26,234 тыс. т., от передвижных – тыс. т.
За исследуемый период 2005-2007 гг. наблюдался рост уровня загрязнения атмосферного воздуха в г. Саратове. На рис.1 приведена динамика изменения индекса загрязнения атмосферы за 1998-2006 гг.
В городе насчитывается около 270 га насаждений общего пользования, что составляет 3 м2 на одного жителя, при существующей норме 28 м2.
Деятельность человека нарушила естественный почвообразовательный процесс в черте города, схематично все почвы можно объединить в 4 группы черноземы южные, насыпные почвы, перемешанные почвогрунты, насып-ные грунты, только 70 % ландшафтно-архитектурных ансамблей имеют почвогрунты с удовлетворительными лесорастительными условиями.
На территории ландшафтно-архитектурных ансамблей произрастает более 100 видов деревьев и 87 видов кустарников. Преобладающими древесными породами являются тополь пирамидальный, береза повислая, каштан конский, липа мелколистная, акация белая, клен остролистный и др. В связи со сказанным, нами были исследованы биоиндикационные свойства именно этих древесных культур.
 |
| Рис. 1. Динамика измерения индекса загрязнения атмосферы |
Глава 4. ИЗУЧЕНИЕ БИОИНДИКАЦИОННЫХ СВОЙСТВ
ДРЕВЕСНЫХ КУЛЬТУР В УСЛОВИЯХ АНТРОПОГЕННО
ЗАГРЯЗНЕННОЙ ГОРОДСКОЙ СРЕДЫ
В настоящей главе приведены результаты исследования биоиндикационных свойств 7 древесных культур, выполненные на основе расчета флуктуирующей асимметрии их листьев.
Все многообразие ландшафтно-архитектурных ансамблей Саратова нами условно разделено на четыре группы, по аналогии с загрязнением атмосферного воздуха:
– группа «Промышленные» ландшафтно-архитектурные ансамбли, расположенные в непосредственной близости к крупным предприятиям различных отраслей: Сквер «Дружбы народов», расположенный около ОАО «Саратовский авиационный завод», Бульвар по ул. Большая Садовая, расположенный около ОАО «Электроисточник».
– группа «Авто» ландшафтно-архитектурные ансамбли, окруженные со всех сторон автомагистралями с интенсивным движением автотранспорта: ландшафтно-архитектурный ансамбль «Городок СГУ», сквер на пл. С.М. Кирова, сквер Театра «Оперы и Балета», бульвар по ул. П.Г. Рахова и «Аллея Кадетов», сквер на «Театральной площади».
– группа «Промышленные и авто» ландшафтно-архитектурные ансамбли Саратова, расположенные на расстоянии 0,5 1,0 км от промышленных предприятий, интенсивно загрязняющих атмосферный воздух города и вблизи автомагистралей с интенсивным движением грузового и пассажирского транспорта: Сквер ДК «Саратовстройстекло», Сквер ТЦ «Поволжье».
– группа «отдых» ландшафтно-архитектурные ансамбли Саратова, являющиеся любимым местом отдыха горожан, к ним мы отнесли: ландшафтно-архитектурный ансамбль «Набережная Космонавтов», парк «Липки».
– группа «контроль» ландшафтно-архитектурный ансамбль лесхоа «Ново-Бурасский».
По результатам трехлетнего исследования создан банк данных о состоянии древесных культур в целом по городу с учетом многообразия факторов действия.
Нами установлено, что за истекший период 2005-2007 гг. наблюдаются две тенденции для всех видов исследуемых культур в городских ландшафтно-архитектурных ансамблях.
 |
| Рис 2. Значения показателей ФА листьев древесных культур на бульваре по ул. Б. Садовая в 2005 – 2007 гг. |
I. Для ландшафтных ансамблей, отнесенных нами ранее к группе «Про-мышленные», можно проследить тенденцию по уменьшению ФА за период 2005-2007 гг. Полученные данные коррелируют с данными Комитета госу-дарственного экологического контроля и природопользования Саратовской области, в которых показано, что ОАО «Авиационный завод» существенно снизил производство, а ОАО «Электроисточник» приобрел газопылеулавливающие установки, в результате чего повысил утилизацию выбросов. Биологические системы – древесные культуры адекватно отреагировали на это небольшим уменьшением ФА листьев на двух ландшафтно-архитектурных ансамблях: сквер «Дружбы народов» и бульвар по ул. Большая Садовая (рис. 2).
II. Для ландшафтных ансамблей, отнесенных нами ранее к группам «промышленные и авто», а также «авто» и «отдых» можно проследить другую
 |
| Рис. 3. Значения показателей ФА листьев древесных культур на территории сквера ДК «Саратовстройстекло» в 2005 – 2007 гг. |
тенденцию: в исследуемый период 2005-2007 гг. для трех указанных типов ансамблей наблюдается четко выраженное увеличение ФА листьев всех изучаемых нами культур (рис. 3). Нами установлено, что наибольшие усиления ФА наблюдаются для древесных культур – береза повислая, каштан конский, липа мелколистная. Их можно считать наиболее чувствительными биоиндикаторами.
Нами показано, что самой антропогенно устойчивой культурой является тополь советский, для него наблюдается увеличение ФА листьев за исследуемый период 2005 – 2007 гг., однако это увеличение меньше по абсолютной величине, чем для других культур.
На всех 11 исследуемых городских ансамблях можно проследить симбатные тенденции в изменении ФА листьев березы повислой и других древесных культур (рис. 4 и 5). Анализ полученных результатов позволяет выделить самые загрязненные ландшафтно-архитектурные ансамбли г. Саратова:
 |
| Рис. 4. Значение показателей ФА листьев березы повислой (Betula pendula Roth) на территории изучаемых ландщафтно-архитектурных ансамблей |
 |
| Рис. 5. Значение показателей ФА листьев липы мелколистной (Tilia cordata Mill) на территории изучаемых ландшафтно-архитектурных ансамблей |
сквер ДК«Саратовстройстекло», ТЦ «Поволжье», сквер «Дружбы народов». Можно отметить, что самыми
 |
| Рис. 6. Биоиндикационный ряд чувствительности древесных культур на примере сквера ТЦ «Поволжье» (2006г.) |
«чистыми» зелеными ансамблями г. Саратова являются: ландшафтно-архитектурный ансамбль «Набережная Космонавтов», сквер Театра «Оперы и Балета», сквер на пл. им. С.М. Кирова. Нами исследовано изменение ФА древесных культур при удалении от источника загрязнения, показано, что на расстоянии 50 и более метров значение ФА уменьшается на 20 – 30 %. Сравнительная характеристика значений ФА листьев исследуемых культур, с достаточной степенью уверенности, позволяет нам составить биоиндикационный ряд чувствительности древесных культур (рис. 6):
Береза > Каштан > Липа > Клен > Акация > Сирень > Тополь
Одним из основных результатов настоящего исследования является вывод о том, что оценка качества городской среды, проведенная с помощью расчета ФА листьев различных древесных культур одинакова, это особенно важно в том случае, когда качество городской среды обитания можно оценить только по одному или ограниченному числу видов древесных культур.
На основании вышеизложенного, нами предлагается группа древесных культур, присутствие которых в городских биоценозах обязательно, так как они являются эффективными биоиндикаторами состояния качества среды обитания, изменяющейся под воздействием антропогенных факторов (береза повислая, каштан конский, липа мелколистная). Нами доказано, что они являются маркерами качества среды обитания и могут быть использованы для скрининговой оценки городской среды.
В целом, проведенные нами исследования позволяет оценить качество среды обитания в г. Саратове как предкритическое или критическое, которое требует принятия неотложных мер. Это согласуется с динамикой изменения индекса загрязнения атмосферы за 1998-2006 гг.
Глава 5. ИЗУЧЕНИЕ ВАЖНЕЙШИХ ИНТЕГРАЛЬНЫХ
ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК
АНТРОПОГЕННО ЗАГРЯЗНЕННОЙ ГОРОДСКОЙ СРЕДЫ
Изучение важнейших интегральных физико-химических характеристик антропогенно загрязненной городской среды, проведено нами в трех направлениях:
1. Исследована ответная реакция древесных культур на загрязнения, выражающаяся в накоплении суммы фенольных соединений в листьях.
 |  |  |
| Рис. 7. Результаты определения суммы фенольных соединений в листьях древесных культур: а) на бульваре «Аллея Кадетов», б) в лесхозе «Ново-Бурасский», в) в парке «Липки» | ||
Для этого использован титриметрический метод анализа, в качестве индикатора применяли индигокармин. Объектами исследования были выбраны: береза повислая, каштан конский, тополь советский. Одним из критериев выбора именно этих древесных культур послужило наличие их в каждом из 12 исследуемых ансамблей. Детальный анализ полученных экспериментальных данных позволяет заключить, что в течение 2005-2007 гг. наблюдается увеличение содержания суммы фенольных соединений во всех трех культурах (рис. 7). Оценка качества городской среды, полученная с помощью титриметрического определения суммы фенольных соединений сходна. Наиболее эффективно на антропогенные загрязнения «откликается» береза повислая.
Нами впервые установлено, что сумма фенольных соединений в листьях древесных культур может быть биоиндикационным признаком для прогноза качества конкретных локальных биоценозов (рис 8).
 |
| Рис. 8. Сравнительная характеристика значений суммы фенольных соединений в зависимости от места произрастания березы повислой |
На основании вышеизложенного можно сказать, что титриметрический способ определения суммы фенольных соединений в листьях древесных куль-
 |
| Рис. 9. Изменения ФА листьев березы и С фен. в листьях березы в зависимости от места пробоотбора. |
тур может быть достаточно эффективно использован в практике экологического мониторинга городской среды. Следует подчеркнуть, что прослеживается четкая аналогия в оценке качества конкретных локальных биоценозов, основанная на двух независимых методах: биологическом, основанном на расчете ФА листьев древесных культур и химическом, основанном на титриметрическом определении СФЕН. в листьях. Например, листья березы, на загрязненных ансамблях, характеризуются повышенными значениями ФА и защитная функция у них выражается в увеличении концентрации фенолов в листьях (рис.9).
2. Оценено состояние воздушного бассейна на территории исследуемых ландшафтно-архитектурных ансамблей по некоторым физико-химическим характеристикам снежного покрова.
 |
| Рис. 10. Изменение минерализации снежного покрова и ФА листьев липы в зависимости от расстояния от дорог (парк «Липки») |
Анализ полученных экспериментальных данных показал следующее: величина кислотности снежного покрова возрастает от периферии (5,84 ± 0,35) к центру (7,78 ± 0,38), особенно сильно подщелачивание проявляется вдоль автомагистралей. Следует отметить, что по мере удаления от автомагистралей наблюдается снижение кислотности снежного покрова. Изменение минерализации снежного покрова имеет такую же тенденцию, диапазон определяемых содержаний в пересчете на хлорид натрия составляет 18,72 – 293,52 мг/дм3(рис. 10). Установлена тенденция возрастания ФА листьев (летом) на участках с повышенной минерализацией снежного покрова зимой. Показано совпадение оценок снежного покрова двумя независимыми методами потенциометрическим и кондуктометрическим. Полученные результаты могут быть использованы для корректировки размещения зеленых насаждений в городе, а также принятию мер по сохранению и реконструкции ландшафтно-архитектурных ансамблей Саратова для достижения устойчивого развития.
3. Изучено состояние почвенного покрова выбранных ландшафтно-архитектурных ансамблей по интегральным физико-химическим характеристикам: Полученные экспериментальные данные приведены в табл. 2, рис.11-13.
 |
| Рис. 11. Динамика значений ОВП почв и ФА листьев березы на различных ландшафтно-архитектурных ансамблях города. |
2. – Физико-химические характеристики почв некоторых ландшафтно-архитектурных ансамблей Саратова (средние значения за три года)
| Место отбора пробы | рН (водная вытяжка) | Буферная емкость по кислоте, ммоль/кг почвы | Буферная емкость по основанию, ммоль/кг почвы | Окислительно-востановительный потенциал, мВ |
| Сквер ДК «Саратов- стройстекло» | 8,44±0,63 | 4,74±0,33 | 3,86±0,027 | 475±27 |
| Сквер ТЦ «Поволжье» | 8,17±0,47 | 4,62±0,26 | 4,53±0,32 | 498±31 |
| Сквер «Дружбы Народов» | 8,06±0,41 | 4,48±0,31 | 3,91±0,44 | 513±25 |
| Бульвар по ул. Б.Садовая | 8,03±0,34 | 4,12±0,27 | 3,62±0,28 | 521±29 |
| Бульвар по ул. П.Г. Рахова | 8,05±0,36 | 4,83±0,29 | 4,18±0,25 | 526±33 |
| Городок СГУ | 7,92±0,41 | 5,48±0,38 | 4,70±0,32 | 534±23 |
| Парк «Липки» | 7,86±0,33 | 6,08±0,33 | 5,16±0,36 | 542±32 |
| Сквер на Театральной площади | 8,00±0,37 | 7,48±0,28 | 6,1±0,29 | 548±27 |
| Набережная Космонавтов | 7,68±0,35 | 6,16±0,44 | 7,11±0,31 | 546±28 |
| Сквер Театра «Оперы и Балета» | 7,83±0,29 | 7,16±0,34 | 8,09±0,37 | 550±36 |
| Сквер на пл. им. С.М. Кирова | 7,74±0,31 | 6,54±0,33 | 6,31±0,41 | 538±29 |
| Лесхоз «Ново-Бурасский» | 5,82±0,29 | 16,08±0,40 | 12,32±0,42 | 681±32 |
Нами установлено, что ландшафтно-архитектурные ансамбли, отнесенные нами на основе биоиндикационных исследований к самым загрязненным, имеющие наибольшие значения ФА, характеризуются почвами с наименьшими значениями ОВП, что свидетельствует о неблагоприятных условий роста и развития древесных культур (рис. 11). Установлена корреляционная зависимость ФА листьев от ОВП почв ансамблей, которую можно использовать для прогноза качества локальных биоценозов (рис. 12).
Выявлена зависимость между нарушением стабильности развития листьев древесных культур и интервалом буферной емкости почв, на которых они произрастают. На почвах с пониженной буферной емкостью произрастают древесные культуры, листья которых характеризуются повышенным значением ФА.
 |
| Рис. 12. Зависимость между показателем стабильности развития листьев березы и ОВП почв на различных участках пробоотбора |
 |
| Рис. 13. Графики буферности почв в сквере ДК «Саратовстройстекло» (1) и лесхозе «Ново-Бурасский» (2) |
Из рис. 13 следует, что чем больше буферность почв, тем более пологая кривая на графике (для почв, исследуемых в лесхозе «Ново-Бурасский»). Кривая буферной емкости почв расположена в узком интервале значений, как по кислоте, так и по основанию (для почв в сквере «Саратовстройстекло»), это может свидетельствовать о связывании почвенно-поглощающих комплексов ионами загрязнителей, что приводит к невозможности удержать новые порции загрязняющих веществ. Следовательно, при дальнейшем антропогенном прессинге загрязнители напрямую переходят из почвы в растения, что выражается в негативном развитии древесных культур.
Нами показано, что ландшафтно-архитектурные ансамбли с высоким уровнем ФА для древесных культур отличаются почвами с пониженной кислотностью, узким интервалом буферности и низким значением ОВП.
ВЫВОДЫ
1. Изучена стабильность развития 7 древесных культур в условиях различных антропогенных нагрузок на основе расчета флуктуирующей асимметрии листьев. Установлены изменения симметрии листьев древесных культур в 2005-2007 гг. Обнаружены значительные нарушения стабильности развития на ландшафтно-архитектурных ансамблях, подверженных сильному антропогенному прессингу.
2. Исследованы ответные реакции древесных культур на загрязнения, выражающиеся в накоплении суммы фенольных соединений в листьях. Впервые установлено, что сумма фенольных соединений в листьях древесных культур, может быть биоиндикационным признаком для прогноза качества городских локальных биоценозов. Показана четкая аналогия в оценке качества городской среды, основанная на двух независимых методах: биологическом (расчет ФА) и химическом (определение С фен.).
3. Оценено состояние воздушного бассейна на территориях 12 исследуемых ландшафтно-архитектурных ансамблей по двум физико-химическим характеристикам снегового покрова. Показано совпадение оценок двумя независимыми методами потенциометрическим и кондуктометрическим. Полученные результаты могут быть использованы для корректировки размещения зеленых насаждений в городе, а также принятию мер по сохранению и реконструкции ландшафтно-архитектурных ансамблей Саратова для достижения устойчивого развития.
4. Определено состояние почвенного покрова на территориях 12 исследуемых ландшафтно-архитектурных ансамблей по трем интегральным физико-химическим характеристикам почв кислотность, окислительно-востановительный потенциал, буферность почв. Установлены корреляционные зависимости между нарушением стабильности развития древесных культур и физико-химическими характеристиками почв. Впервые показано, что ландшафтно-архитектурные ансамбли с высоким уровнем флуктуирующей асимметрии листьев древесных культур имеют почвы с узким интервалом буферности, низкими значениями ОВП и кислотности почв. Установлена возможность прогнозирования роста и развития древесных культур на почвах с различными физико-химическими характеристиками.
5. Впервые установлен биоиндикационный ряд чувствительности исследуемых древесных культур, в условиях городской среды. Определен набор древесных культур устойчивых к загрязнению, которые могут быть рекомендованы для озеленения антропогенно – депрессионных территорий.
6. Выявлены древесные культуры наиболее эффективные биоиндикаторы – береза повислая, липа мелколистная, каштан конский, которые являются маркерами качества среды обитания и могут быть использованы для скрининговой оценки экологического состояния городской среды.
ПРЕДЛОЖЕНИЯ ПРОИЗВОДСТВУ
Для скрининговой оценки экологического состояния городской среды рекомендуется использовать новую методологию, основанную на использовании древесных культур, эффективных биоиндикаторов - береза повислая, липа мелколистная, каштан конский. Предлагается определять показатели: флуктуирующую асимметрию и содержание суммы фенольных соединений листьев. Для этого исследуемые культуры рекомендуется использовать при составлении программ озеленения города и построения его экологического каркаса.
Для организации ландшафтно-архитектурного дизайна города на антропогенно-загрязненных территориях рационально использовать устойчивые к загрязнению культуры, например тополь советский.
Список работ, опубликованных по теме диссертации
- Дружкина, Т.А. Влияние автотранспорта на качество почвенного покрова //Т.А. Дружкина, Н.М. Пчелинцева, Н.А. Бумарскова, Н.Н. Гусакова/ матер. Х111 Междунар. науч. конф «Эколого-биологические проблемы бассейна Каспийского моря» - Астрахань, 2005. - С.132-133.
- Дружкина, Т.А. Ответная реакция древесных культур на загрязнение атмосферы ионами свинца //Т.А. Дружкина, Н.Н. Гусакова /матер. Всерос. конф., посвящ. 118-й годовщине со дня рождения акад.Н.И. Вавилова «Вавиловские чтения – 2005».- Саратов, 2005.- С.24 -25.
- Дружкина, Т.А. Применение новых методов диагностики загрязнителей в городских архитектурно-ландшафтных ансамблях // Т.А. Дружкина, Н.Н. Гусакова, Л.В. Лебедь, Н.М. Пчелинцева – Тез. докл.VI Всерос. конф. по анализу объектов окружающей среды «Экоаналитика-2006». - Самара, 2006.- С. 124.
- Дружкина, Т.А. Влияние техногенеза на кислотность и буферную емкость почвенного покрова в городе Саратове //Т.А. Дружкина, Д.А. Сахно. - Тез. докл. Х Докучаевских молодежных чтений «Почвы и техногенез». - С-Пб., 2007. - С. 139-140.
- Дружкина, Т.А. Биоиндикационная оценка ландшафтно-архитектурного ансамбля ОАО «Маяк» //Т.А. Дружкина, Л.В. Лебедь, Н.Н. Гусакова. - матер. конф., посвящ. 119-й годовщине со дня рожд. Н.И.Вавилова «Вавиловские чтения – 2006» - Саратов, 2006, - С. 43-45.
- Дружкина, Т.А. Изучение влияния автомагистралей на состояние почвенного покрова г. Саратова //Т.А. Дружкина, Д.А. Сахно, Н.М. Пчелинцева. – Матер. Междунар. конф. молодых ученых по фундаментальным наукам «Ломоносов-2006» - Почвоведение, - М., 2006, - С. 56.
- Дружкина, Т.А. Инновации в преподавании химических дисциплин в вузах аграрной направленности // Н.Н. Гусакова, Г.Е. Рязанова, Т.А. Суслова, Л.В. Лебедь, Н.М. Пчелинцева, Т.В. Холкина, Ю.В. Самохина, Г.А. Пузаткина, Т.А. Дружкина. - Второй Саратовский Салон изобретений, инноваций и инвестиций. Ч.2. - Саратов, 2006. - С. 28.
- Дружкина, Т.А. Интегративный подход как аспект модернизации практикума по дисциплине «Экологическая химия» //Т.А. Дружкина, Н.Н. Гусакова, Л.В. Лебедь, Н.М. Пчелинцева. - Инновации химического образования в учебных заведениях аграрной направленности: сб. тр. - Саратов, 2006. - С. 52-55.
- Дружкина, Т.А. Исследование биоиндикационных свойств древесных пород в городской среде //Т.А. Дружкина, Н.М. Пчелинцева, Н.Н. Гусакова - Сб. тез. 10-й Пушкинской школы-конференции молодых ученых, посвященной 50-летию Пущинского научного центра РАН «Биология – наука XXI века».- Пущино, 2006. - С. 273-274.
- Дружкина, Т.А. Исследование биоиндикационных свойств некоторых древесных культур в городской среде //Т.А. Дружкина, А.А. Коваль, Ю.В. Володина, Н.Н. Гусакова. – Матер. II Всерос. науч.-техн. конф. студентов и аспирантов. Ч. 2. - Екатеринбург, 2006. - С. 247-250.
- Дружкина, Т.А. Комплексный экомониторинг урбанизированных территорий на примере архитектурно-ландшафтного ансамбля «Парк Липки» г. Саратова //Т.А. Дружкина, Л.В. Лебедь, Д.А. Бурданов, Н.Н. Гусакова. - Сб. матер. III Всерос. науч.-практ. конф. «Проблемы экологии и охраны природы. Пути их решения». - Ульяновск, 2006. - С. 101-102.
- Дружкина, Т.А. Определение фенольных соединений в листьях древесных культур на территории различных рекреационных зон г. Саратова //Т.А. Дружкина, Л.В. Лебедь, Н.Н. Гусакова. – матер. IX Междунар. конф. «Эколого-биологические проблемы бассейна Каспийского моря» - Астрахань, 2006. - С. 231-232
- Дружкина, Т.А. Проектный метод как средство развития познавательного интереса у студентов при изучении экологической химии //Т.А. Дружкина, Л.В. Лебедь, Н.Н. Гусакова. - матер. V Всерос. науч. – метод. семинара «Модернизация современного образования: к экологической компетентности – через экологическую деятельность» - СПб., 2006. - С.216-218.
- Дружкина, Т.А. Исследование биоиндикационных свойств древесных пород на примере ОАО «Авиационный завод» / Матер. науч.-практ. конф. молодых ученых Приволжского федерального округа «Роль молодых ученых в реализации национально проекта «Развитие АПК» - Саратов, 2007. - С. 71-74.
- Дружкина, Т.А. Исследование биоиндикационных свойств древесных пород в городской среде //Т.А. Дружкина, Л.В. Лебедь. – Матер. докл. XIV Междунар. конф. студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов-2007» [Электронный ресурс] – М. - 2007. - 1 электрон. опт. диск (CD-ROM); 12 см. - Систем. требования: ПК с процессором 486 +; Windows 95; дисковод CD-ROM; Adobe Acrobat Reader.
- Дружкина, Т.А. Индикация состояния городской среды по древесным культурам // Т.А. Дружкина, Л.В. Лебедь, Н.Н. Гусакова. - Матер. IX Междунар. науч.-практ. конф., посвященной 75-летию Астраханского государственного университета «Экология биосистем: проблемы изучения, индикации и прогнозирования», Ч.2. - Астрахань, 2007. – С. 97-99.
- Дружкина, Т.А. Проблемы скрининговой оценки урбанизированных территорий на примере г. Саратова //Т.А. Дружкина, Л.В. Лебедь, Н.Н. Гусакова. - Вестник Саратовского гос-агроуниверситета им. Н.И. Вавилова, №1, 2007. - С. 6-9.
