Функциональное состояние липы сердцелистной (Tilia cordata Mill.) в городских условиях роста
Глибовицкая Наталия Игоревна,
аспирант кафедры биологии и экологии Прикарпатского национального университета им. Василия Стефаныка, Украина.
Исследованы показатели функционального состояния Tilia cordata Mill. в условиях урбанизированной среды. Выявлено влияние антропогенной нагрузки на морфофизиологические параметры ассимиляционного аппарата и санитарное состояние вида в различных ландшафтно-функциональных зонах города Ивано-Франковска. Обоснована перспективность использования Tilia cordata Mill. как биоиндикатора в биоиндикационных исследованиях для оценки состояния окружающей среды в условиях антропогенной нагрузки.
Ключевые слова: Tilia cordata Mill., функциональное состояние, морфофизиологические параметры, урбоэкосистема, биоиндикация.
Актуальность
Древесные насаждения являются мощным природным фактором противодействия негативным для окружающей среды последствиям урбанизации и техногенного загрязнения [7]. Одновременно в условиях длительной экспозиции они чувствуют на себе комплексное хроническое воздействие антропогенно-модифицированных факторов среды [9, 12]. В основе адаптационной способности растительных организмов к действию стрессовых факторов лежит изменение ряда морфофизиологических параметров листьев [12]. Они указывают на ранние нарушения биологических систем, характеризируют состояние ассимиляционного аппарата растения в исследуемых условиях и являются одними из наиболее информативных показателей качества окружающей среды [12].
Одним из наиболее чувствительных к антропогенному загрязнению видов является липа сердцелистная, которая широко представлена в дендрофлоре городов Украины [14].
Анализ показателей функционального состояния Tilia cordata Mill. в условиях урбанизированной среды и оценка перспективы использования выявленных изменений в практике биоиндикационных исследований является целью данной работы.
Материалы и методы исследования
Исследования проводили в условиях урбоэкосистемы Ивано-Франковска, расположенной в расширенной части бассейна нижнего течения реки Быстрица на грани Западной Лесостепи и Прикарпатья.
По принципу ландшафтно-функционального зонирования территории [11] для исследуемой урбоэкосистемы разработали мониторинговую сеть, согласно которой выделены опытные участки, которые относятся к зоне комплексного озеленения, промышленных комплексов, транспортных путей и жилой настройки города. Как фоновую − избрали условно экологически чистую территорию − урочище Демьянов Лаз, расположенную за пределами города.
Отбор образцов растительного материала осуществляли с ветвей одного порядка ветвления нижней части кроны в период завершения полного развития ассимиляционной системы (август-сентябрь) [12].
Содержание хлорофиллов и каротиноидов в листьях растений определяли фотоелектроколориметрическим методом после экстракции 96 % этанолом. Расчеты осуществляли по формулам Винтерманс де Мотс [2].
Физико-химические показатели состояния внутриклеточной среды листьев исследовали на рН-метре по общепринятой методике [6].
Определение площади листьев осуществляли весовым методом [13]. Степень некротических повреждений листовых пластинок устанавливали визуально по пятибалльной бонитувальной шкале [13]. Уровень дефолиации, дехромации и отмирание ветвей определяли согласно апробированных методик [1].
В пределах каждого исследуемого участка анализировали 5−7 деревьев вида [11]. Полученные результаты обрабатывали статистически.
Результаты и их обсуждение
Установлено достоверное снижение содержания фотосинтетических пигментов в листьях липы сердцелистной во всех исследованных зонах урбоэкосистемы относительно контроля [3]. Показатель суммарного содержания хлорофиллов а и b колеблется от 3,83 мг/г в листьях растений из зоны комплексного озеленения до 1,47 мг/г − из зоны транспортных путей города при фоновом значении − 5 мг/г. В суммарном содержании хлорофиллов растет доля хлорофилла b, на что указывает снижение соотношения зеленых пигментов от 1,97 в зоне комплексного озеленения до 1,41 − в зоне транспортных путей при фоновом значении 2,68. Это свидетельствует о высокой чувствительности хлорофилла а к антропогенным загрязнителям и угнетении фотосинтетических процессов вида в условиях загрязнения окружающей среды. Фоновая концентрация хлорофилла а в листовых пластинках T. cordata составляет 3,64 мг/г, что в 1,4−4,2 раза превышает этот показатель в исследованных ландшафтно-функциональных зонах города.
Содержание каротиноидов в ассимиляционном аппарате вида снижается от 0,46 мг/г в зоне комплексного озеленения до 0,37 мг/г − в транспортном экотопе урбоэкосистемы при контрольном значении − 0,55 мг/г.
В соотношении содержания суммы хлорофиллов к каротиноидам в листьях T. cordata в условиях города наблюдается рост доли каротиноидов. Учитывая особую роль каротиноидов как протекторов хлорофиллов от фотоокисления, увеличение их доли можно рассматривать как один из факторов, обеспечивающих толерантность растений к действию антропогенных загрязнителей.
В условиях локальных экотопов г. Ивано-Франковска рН внутриклеточной среды листьев вида является слабокислым в пределах 5,61−5,69 и статистически достоверно не отличается от показателя на фоновой территории (5,57) за исключением зоны транспортных путей, где наблюдается незначительное подщелачивание протопласта до 5,74 [4]. В условиях урбоэкосистемы наблюдается рост показателя смещения кислотности протопласта листьев T. cordata в следующем ряду ландшафтно-функциональных зон: фоновая территория (ΔрН=2,48) → зона комплексного озеленения (ΔрН=2,73) → зона жилой застройки (ΔрН=2,80) → зона промышленных комплексов (ΔрН=2,97) → зона транспортных путей (ΔрН=3,14). Рост антропогенной нагрузки в условиях урбоэкосистемы приводит к нарушению устойчивости буферной системы внутриклеточной среды листьев T. cordata.
Результатами морфометрического анализа установлено, что в условиях всех исследованных зон города наблюдается достоверное уменьшение длины, ширины, площади и массы листовых пластинок T. cordata относительно контрольных показателей [5].
Наиболее существенное уменьшение площади листьев вида обнаружено в зоне промышленных комплексов и зоне транспортных путей − соответственно на 41 и 43 % по сравнению с фоновым показателем (43,3±2,15 см2). Линейные параметры листьев в разнофункциональных ландшафтных зонах есть ниже контроля в 1,2−1,4 раза. Масса листовой пластинки в популяциях липы сердцелистной статистически достоверно снижается от 1,5 раз в зоне комплексного озеленения до 2,2 раз в зоне транспортных путей города по сравнению с этим параметром на фоновой территории (0,286±0,02 г).
Уменьшение морфометрических параметров листьев T. сordata в условиях урбоэкосистемы можно рассматривать как неспецифическую адаптивную реакцию растений, направленную на уменьшение площади контакта с загрязненной средой, оптимизацию водного режима, а также на снижение издержек вещественно-энергетических ресурсов на перестройку защитных механизмов [8; 10].
Наряду со снижением размеров листовых пластинок липы сердцелистной в условиях Ивано-Франковска происходит рост степени некротических повреждений листьев вида в ряде исследованных локальных экотопов: фоновая территория (1 балл) → зона комплексного озеленения (2 балла) → зона жилой застройки (2,5 балла) → зона транспортных путей = промышленная зона (3 балла).
Рост некротических повреждений листовых пластинок T. cordata вызывает преждевременную дефолиацию и ухудшение санитарного состояния насаждений вида. В разнофункциональных экотопах города уровень дефолиации кроны превышает фоновое значение (16 %) в 2,5−3 раза. Уровень дехромации кроны T. cordata колеблется от 17,5 % в зоне комплексного озеленения до 22,5 % в придорожном экотопе при контрольном показателе − 17,4 %. Максимальное значение повреждения кроны констатировано в промышленной зоне урбоэкосистемы (25,0 %), минимальное − в зоне жилой застройки (18,4 %).
Выводы
Липа сердцелистная чувствительно реагирует на усиление антропогенной нагрузки изменением ряда морфофизиологических параметров и ухудшением санитарного состояния и может быть рекомендована как вид-индикатор при осуществлении биомониторинга городских территорий.
Характер и степень изменения всех анализируемых показателей функционального состояния липы указывает на усиление комплексного урбогенного градиента в Ивано-Франковске в следующем ряду исследованных экотопов: зона комплексного озеленения → зона жилой застройки → промышленная зона = зона транспортных путей.
Литература
1. Букша И. Ф. Методические рекомендации по обеспечению качества и контроля информации по мониторингу лесов I уровня / И. Ф. Букша, В. П. Пастернак // Украинский научно-исследовательский институт лесного хозяйства и агролесомелиорации им. Г. Н. Высоцкого. − Харьков, 2011. − 17 с.
2. Войцеховская В. П. Физиология растений: практикум / В. П. Войцеховская, А. В. Капустян, А. И. Косик. − М.: Терен, 2010. − 420 с.
3. Глибовицкая Н. И. Влияние антропогенного загрязнения окружающей среды на содержание пластидних пигментов в листьях липы сердцелистной (Tilia cordata L.) / Н. И. Глибовицкая // Вестник Львовского университета. Серия биологическая. − 2014. − Вып. 65. − С. 197−201.
4. Глибовицкая Н. И. Физико-химические параметры состояния листьев липы сердцелистной (Tilia cordata L.) в урботехногенних условиях роста / Н. И. Глибовицкая // Вестник Харьковского нацыонального университета имени В. Н. Каразина. Серия: биология. − 2014. − Вып. 18. − С. 180−185.
5. Глибовицкая Н. И. Фитоиндикация города Ивано-Франковска за изменением морфологических параметров Tilia cordata L. / Н. И. Глибовицкая // Вестник Прикарпатского нацыонального университета им. Василия Стефаныка. Серия «Биология». − 2012. − Вып. 17. − С. 221−225.
6. Гнатив П. С. Свойства внешней и внутренней среды листьев деревьев как факторы адаптации растений в трансформированной среде / П. С. Гнатив, Д. В. Артемовская // Научные труды Лесоводческой академии наук Украины: сборник научных трудов. − М.: РИО НЛТУ Украины. − 2009. − Вып. 7. − С. 98−103.
7. Гнатив П. С. Функциональная адаптация древесных растений к условиям урбанизированной среды на Западе Украины: автореф. дис. на соискание наук. степени докт. биол. наук: спец. 03.00.16. «Экология» / П. С. Гнатив. − Черновцы, 2006. − 41 с.
8. Илькун Г. М. Загрязнители атмосферы и растения / Г. М. Илькун − К.: Наукова думка, 1978. − 274 с.
9. Кулагин Ю. З. Древесные растения и промышленная среда / Ю. З. Кулагин. − М.: Наука, 1974. − 123 с.
10. Кучерявый В. А. Урбоэкологические основы фитомелиорации / В. А. Кучерявый. − Ч. 1. Урбоэкология. М.: НТ Информация, 1991. − 357 с.
11. Парпан В. И. Методологические аспекты оценки экологического состояния урбанизированных и техногенно измененных территорий / В. И. Парпан, М. М. Миленькая // Вестник Днепропетровского университета. Биология. Экология. − 2010. − Вып. 18, т. 2. − С. 61−68.
12. Парпан В. И. Морфофизиологические особенности Populus pyramidalis Roz. в условиях урботехногенного загрязнения среды / В. И. Парпан, М. М. Миленькая // Экология и ноосферология. − 2009. − Т. 20, № 3−4. − С. 84−90.
13. Руденко С. С. Общая экология. Ч. 2. Природные наземные экосистемы // С. С. Руденко, С. С. Костышин, Т. В. Морозова. − Черновцы, 2008. − 320 с.
14. Совакова М. А. Виды рода Tilia L. в насаждениях различного функционального назначения: автореф. дис. на соискание наук. степени канд. биол. наук: спец. 06.03.01 «Лесные культуры и фитомелиорация» / М. А. Совакова. − Киев, 2013. − 22 с.
Поступила в редакцию 23.06.2014 г.