Герасимова Анастасия Андреевна. Фенологический мониторинг древесно-кустарниковой растительности г. Тюмени

Краткое описание

Герасимова Анастасия Андреевна. Фенологический мониторинг древесно-кустарниковой растительности г. Тюмени: диссертация ... кандидата биологических наук: 03.02.08 / Герасимова Анастасия Андреевна;[Место защиты: ФГБОУ ВПО «Тюменский государственный университет»].- Тюмень, 2015.- 273 с.

ФГБОУ ВПО «ТЮМЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»
На правах рукописи
Г ерасимова Анастасия Андреевна
ФЕНОЛОГИЧЕСКИЙ МОНИТОРИНГ ДРЕВЕСНО-КУСТАРНИКОВОЙ
РАСТИТЕЛЬНОСТИ Г. ТЮМЕНИ
03.02.08 - экология (биология)
Диссертация на соискание ученой степени
кандидата биологических наук
Научный руководитель - Боме Нина Анатольевна, д-р с.-х.н., профессор.
Тюмень 
ОГЛАВЛЕНИЕ
1.1 Фенологический мониторинг растений 8
1.2 Факторы сезонной динамики развития растений 12
1.2.1 Влияние метеорологических факторов на сезонное развитие растений.. 12
1.2.2 Влияние загрязнения атмосферного воздуха на сезонное развитие
растений 14
1.2.3 Влияние эндогенных факторов на сезонное развитие растений 15
1.3 Особенности климата больших городов 16
1.3.1 Основные факторы антропогенного загрязнения атмосферы городов.... 18
1.3.2 Зелёные насаждения и их роль в современном городе 20
1.3.3 Древесно-кустарниковая флора города в условиях загрязнения 24
ГЛАВА 2. ХАРАКТЕРИСТИКА РАЙОНА ИССЛЕДОВАНИЯ 29
2.1 Физико-географическая характеристика города Тюмени 29
2.1.1 Экологическая обстановка в Тюмени 31
2.1.2 Древесно-кустарниковая растительность Тюмени 33
2.1.3 Интродукция растений в условиях Тюменской области 35
ГЛАВА 3. ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ 37
3.1 Объекты исследования 37
3.2 Методика исследования 48
ГЛАВА 4. РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ 54
4.1 Фенологические наблюдения за аборигенными видами древесно-кустарниковых растений 54
4.1.1 Фенологический мониторинг Яблони сибирской (Malus Ьассаїа L.) 55
4.1.2 Фенологический мониторинг Рябины обыкновенной (Sorbus aucuparia L.) 64
4.1.3 Фенологический мониторинг Черемухи обыкновенной (Padus avium Mill.) 72
4.1.4 Фенологический мониторинг Березы повислой или бородавчатой (Betula
pendula Ehrh.) 81
4.1.5 Фенологический мониторинг Липы сердцевидной (Tilia cordata L.) 89
4.1.5 Фенологический мониторинг Лиственницы сибирской
(Larix sibirica Ledeb.) 98
4.2 Фенологические наблюдения за интродуцентными видами древесно-кустарниковых растений 107
4.2.1 Фенологический мониторинг Дуба черешчатого (Quercus robur L.) 107
4.2.2 Фенологический мониторинг Клена ясенелистного (Acer negundo L.) 116
4.2.3 Фенологический мониторинг Клена остролистного(Acer platanoides L.) 125
4.2.4 Фенологический мониторинг Клена приречного (Acer ginnala Maxim.).... 134
4.2.5 Фенологический мониторинг Сирени обыкновенной (Syringa vulgaris L.) 142
4.2.6 Фенологический мониторинг Сирени венгерской
(Syringa josikaea Jacq.) 151
4.3 Сравнительный анализ фенологических фаз развития аборигенных и
интродуцентных видов древесных пород в г. Тюмени 160
ГЛАВА 5. ЭКОЛОГО-БИОЛОГИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОГРАММНОГО КОМПЛЕКСА ФЕНОЛОГИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА ДРЕВЕСНО-КУСТАРНИКОВЫХ РАСТЕНИЙ 168
5.1 Разработка программного комплекса фенологического мониторинга
древесно-кустарниковой растительности 168
5.1.1 Программный комплекс фенологического мониторинга зеленых
насаждений 171
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 179
ВЫВОДЫ 179
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 182
ПРИЛОЖЕНИЕ 207
ВВЕДЕНИЕ
Ускоряющиеся темпы урбанизации и антропогенеза с каждым годом увеличивают изменение экологической обстановки в городах. Неблагоприятная экологическая ситуация в крупных промышленных центрах Сибири под воздействием техногенных нагрузок определяет состояние окружающей среды. В последние десятилетия наблюдается интенсивное насыщение атмосферы городов газообразными и пылевидными отходами транспортных средств и промышленных предприятий (Сергейчик, 1984; Владимиров и др., 1982, 1986; Воскресенская, 2004).
Роль зеленых насаждений в оптимизации условий урбанизированных территорий заключается в их способности нивелировать неблагоприятные для человека факторы природного и техногенного происхождения. Древесные растения, работая как своеобразный живой фильтр, поглощают из воздуха различные химические токсины. Также зеленые насаждения участвуют в формировании микроклимата территории города и обеспечивают защиту человека от неблагоприятных климатических воздействий (Владимиров, 1982; Соловьев, 2005; Бухарина и др., 2007).
Городская среда, в целом, существенно отличается от естественных природных условий, в которых были сформированы и наследственно закреплены эколого-физиологические особенности древесных растений. В урбоэкосистемах многие растения, как правило, вынуждены приспосабливаться к неблагоприятным для них экологическим условиям. Все это приводит в итоге к снижению устойчивости растений, в том числе к вредителям и болезням. Городские насаждения, призванные оздоравливать урбанизированную среду, сами при этом часто нуждаются в защите. Оценить эти воздействия возможно по фенологическому развитию растений. Проведение фенологического экомониторинга необходимо для понимания реакции древесно-кустарниковой растительности на абиотические и биотические факторы окружающей среды, а также для структурных и функциональных характеристик аборигенных и интродуцентных видов растений (Кузнецова, 2014).
Несмотря на разнообразные ботанические исследования юга Тюменской области, практически отсутствуют данные по изучению сезонной ритмики древесно-кустарниковой растений на урбанизированных территориях.
Цель исследования - изучение особенностей сезонного развития аборигенной и интродуцентной дендрофлоры г. Тюмени с применением метода экологического мониторинга, формирование базы данных для комплексной оценки состояния озеленения в городской среде.
В соответствии с поставленной целью сформулированы следующие задачи:
1. Изучить сезонное развитие аборигенных (Betula pendula Ehrh., Tillia cordata Mill., Larix sibirica Ledeb., Malus baccata L., Sorbus aucuparia L., Padus avium Mill.) и интродуцентных (Quercus robur L., Acer platanoides L., Acer negundo L., Acer ginnala Maxim., Syringa josikae Jacq., Syringa vulgaris L.) видов древесно-кустарниковых растений г. Тюмени по срокам наступления и продолжительности фенологических фаз.
2. Изучить влияние температурного фактора на сезонное развитие растений в различных административных округах г. Тюмени.
3. Определить зависимость прохождения фенологических фаз древесно-кустарниковых растений от температурного фактора.
4. На основе комплексной оценки выявить виды, обладающие высокими адаптивными свойствами в условиях городской среды.
5. Создать единую базу данных фенологического мониторинга для оценки состояния растений, используемых в озеленении населенных пунктов.
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Сроки наступления и продолжительность фенологических фаз дре¬весно-кустарниковых растений являются биоиндикаторами климатических и антропогенных изменений в городской среде.
2. Интродуцентные виды отличаются более поздними сроками весенних фаз развития (на 3-8 суток), имеют более длительный период вегетации (174-233 суток), по сравнению с аборигенными видами (166-227 суток).
3. Многолетний фенологический мониторинг, включающий сбор и обобщение первичной информации, формирование базы данных, позволяет дать оценку происходящих изменений в сезонной ритмике растений в городской среде и рекомендовать виды для озеленения.
Научная новизна. Получены новые данные о развитии древесно-кустарниковых растений в г. Тюмени на основе многолетних фенологических наблюдений (2006-2012 гг.). Составлено 93 феноспектра (для 12 видов за 7 лет), изучена сезонная динамика аборигенных и интродуцентных видов растений, выявлены их феноаномалии.
Показано, что различия между аборигенными и интродуцентными видами растений по срокам наступления и продолжительности фенологических фаз зависят от метеорологических и антропогенных факторов окружающей среды. На основе корреляционного анализа выявлена существенная зависимость сроков наступления фенофаз (рост побегов, раскрытие почечных чешуй, цветение, образование плода) и продолжительности фенофаз (набухание почек, развитие листовой пластинки, развитие плода) от суммы эффективных температур.
Практическая значимость. Создан программный комплекс для ЭВМ Geomotion GEC (№2014661223, 2014), позволяющий оценить экологическую ситуацию в городской среде по состоянию зеленых насаждений и разработать комплекс мероприятий по охране озелененных территорий.
Полученные данные могут быть рекомендованы Департаменту городского хозяйства Администрации города Тюмени для подбора ассортимента древесно¬кустарниковых растений и размещения на территории города с учетом антропогенной нагрузки.
В методику фенологических наблюдений в ботанических садах СССР (1979) предлагается внести дополнения по регистрации фенологических фаз и построению феноспектров с учетом особенностей роста и развития древесных растений.
Результаты исследования и методические подходы по фенологическому экомониторингу зеленых насаждений могут быть использованы в учебном процессе для студентов, обучающихся по направлениям: Биология, Экология и природопользование, Ландшафтная архитектура.
Апробация работы. Основные результаты исследований были доложены на Международной конференции «Урбоэкосистемы» (Ишим, 2008), Международной конференции «Беккеровские чтения» (Волгоград, 2010), научно-практической конференции «Человек и Север: антропология, археология, экология» (Тюмень, 2010, 2015), конкурсе «Региональная научно-практическая конференция молодых инноваторов» (Тюмень, 2012, 2013, 2014), Международной конференции «Окружающая среда и менеджмент природных ресурсов» (Тюмень, 2012, 2014), форуме молодежи Уральского федерального округа «УТРО - Урал территория развития» (Челябинская обл., Карагайский бор, 2014), заседании Тюменского отделения Русского ботанического общества 28 марта 2015 г.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 18 печатных работ, в том числе 3 в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, получено свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ (№ 2014615973/69).
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 5 глав, выводов, библиографического списка, включающего 238 наименований, из них 22 на иностранном языке. Работа изложена на 273 странице машинописного текста, содержит 82 рисунка и 78 таблиц в приложении.

Список литературы

ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Проведенный фенологический мониторинг на территории г. Тюмени показал, что оценить влияние температурного фактора можно, прежде всего, по реакции древесно-кустарниковой растительности, проявляющейся в изменении структурных и функциональных характеристик.
В настоящие время нами накоплены многолетние данные (2006-2012 гг.), при анализе которых выявлены разнонаправленные тенденции смещения сроков начала и окончания фенологических событий в популяциях древесно-кустарниковых растений. Отмечены нарушения феноритмов роста и развития растений, а также ускорение процессов старения растительных организмов и изменчивости морфологических признаков.
Применение фенологического мониторинга и структурный анализ данных позволяет оценивать состояние древесно-кустарниковой растительности. Благодаря такому анализу возможно принятие мер по оздоровлению городских посадок, сохранению биологического разнообразия.

ВЫВОДЫ
1. На основании многолетней (2006-2012 гг.) комплексной оценки 12 видов аборигенных и интродуцентных древесно-кустарниковых растений, выявлены особенности их сезонного развития на территории г. Тюмени. По датам наступления и окончания фенологических фаз, изученные виды расте-ний разделены на 3 группы: с ранними сроками - M. baccata , S. aucuparia, P. avium, A. negundo, S. vulgaris; средними - B. pendula, L. sibirica, S.josikaea, A. platanoides L. и поздними сроками - Tilia cordata, A. ginnala, Q. robur.
2. Продолжительность вегетационного периода и сроки наступления отдельных фенофаз изученных древесно-кустарниковых растений определя-ются их биологическими особенностями и метеорологическими факторами. Интродуцентные виды отличаются более поздними сроками весенних фаз раз¬вития (на 3-8 суток), имеют более длительный период вегетации (174-233 суток), по сравнению с местными видами (166-227 суток).
3. Сезонное развитие древесно-кустарниковых растений находится в зависимости от суммы активных температур воздуха в течение вегетационного периода. Температурный порог фенологических фаз достоверно отражает зави¬симость биологического ритма изученных видов от хода температурного режима и может применяться как сравнительный критерий при адаптации рас¬тений.
4. Интродуцентные виды с поздними сроками прохождения весенних фаз развития (A. ginnala, Q. robur, S. josikaea) завершают осенние фазы до наступления отрицательных температур воздуха только в годы с благоприятным температурным режимом (2007 г., 2008 г., 2012 г.).
5. Фенологическая реакция древесно-кустарниковых растений на стрессо¬вые воздействия городской среды проявляется в более раннем прохождении фенологических фаз развития (на 3-6 суток), по сравнению с растениями, произрастающими за пределами города. Продолжительное воздействие антропогенных факторов на некоторые виды растений (T. cordata, M. baccata,
A. platanoides) приводит к задержке и отсутствию наиболее важных фаз сезонного развития: Лз, Ц4, Ц5, Плі.
6. Произрастающие на городской территории древесно-кустарниковые виды местной и интродуцентной флоры обладают различной экологической пластичностью. Виды с высокими адаптивными свойствами (S. aucuparia, P. avium, B. pendula, Q. robur , A. negundo, S. vulgaris, A. ginnala, S.josikaea) могут широко использоваться в зеленом строительстве. Виды, менее приспособленные к условиям городской среды (L. sibirica, A. platanoides, Tilia cordata), рекомендуются для озеленении придомовых территорий, скверов и парков.
7. Разработанный программный комплекс по сбору информационных данных может быть использован для организации и проведения мониторинга в городской среде, с целью оценки метеорологической и антропогенной состав¬ляющей в изменении сезонного развития растений и принятия решения по управлению процессами и явлениями.