Мониторинг природной среды методом индикации сосны обыкновенной в условиях техно генеза Русской равнины

Короткий опис

Введение..._... 5

Общая характеристика работы...11

I. Современные состояние проблемы мониторинга геосистем ...19

1.1. Современное состояние проблемы диагностики влияния факторов среды на морфолого-анатомическую структуру сосны обыкновенной...40

1.2. Воздействие комплекса естественных и техногенных факторов на сосну обыкновенную... 43

1.3. Индикация воздействия пессимальных факторов на разных уровнях организации сосны... 55

1.4. Нормирование качества среды и ранжирование территории... 69

II. Цели, задачи и методика исследований... 75

III. Характеристика природных условий полигона исследований ...88

III. 1. Почвенно-климатические условия подзоны хвойно-широколиственных лесов (пригородная зона г. Дорогобуж Смоленской области)...92

Ш.2. Природные условия лесной зоны (г. Щекино и его окрестностей Тульской области)...99

III.3. Характеристика природных условий лесостепной полосы (окрестности г. Воронежа)...103

Ш.4. Почвенно-климатические условия северной части степной зоны (окрестности г.Россошь и Лисичанско-Рубежанский промышленный узел)112

IV. Основные загрязнители и анализ состояния атмосферы исследуемых районов...132

IV. I. Характеристика основных загрязнителей атмосферы в местах отбора модельных деревьев...132

IV. 2. Анализ состояния атмосферы в местах отбора модельных деревьев... 150

3

V. Особенности разноуровневой структурной реакции сосны обыкновенной различных стадий онтогенеза в антропогенно измененных условиях среды... 153

V.1 Морфолого-анатомическая реакция органов сосны под действием факторов антропогенно измененной среды обитания... 154

V. 1.1. Морфологические изменения вегетативных органов... 154

V. 1.2. Особенности реакции тканей в разных органах... 175

V.2. Особенности выделения и исследования функциональных систем

растительного организма...223

V.2.I. Закономерности структурной реакции комплекса вторичных

проводящих тканей в различных органах сосны...223

V.2.2. Взаимосвязь реакции структурных элементов на уровне

функциональных систем в разные этапы онтогенеза под влиянием

загрязнения...232

VI. Обсуждение результатов исследований и перспективы применения показателей структурной морфолого-анатомической реакции для биомониторинга... 243

Заключение ... 265

Список использованных источников...270

Приложения...325
Введение

Сокращения, принятые в тексте: ПДК — предельно допустимая концентрация, ПДК с.с. - среднесуточная предельно допустимая концентрация, ПДК м.р. — максимально разовая предельно допустимая концентрация, ПДК р.з. — предельно допустимая концентрация рабочей зоны, ГН - гигиенические нормативы,

КО — класс опасности,

ОБУВ — ориентировочные безопасные уровни воздействия загрязняющих веществ

Введение

Исследование влияния комплекса абиотических факторов совместно с техногенным воздействием на биосферу в целом, и в том числе на один из ее элементов - древесные растения имеет актуальный характер. Оценка экологической комфортности организма под действием комплекса факторов с использованием методов биоиндикации весьма перспективна. Это связано с глобальной экологической проблемой деградации лесов в районах интенсивной хозяйственной деятельности.

Для решения этой проблемы необходимо выявление реакции растений на различном уровне организации: клеточном, тканевом, уровне функциональных систем и организменном уровне при воздействии природных и антропогенных факторов. Это позволит также проследить изменения на популяционном и биоценотическом уровнях для более рациональной организации мониторинга окружающей среды.

Важным является выявление действия как отдельных экологических факторов, так и интегральная оценка всей системы взаимодействия факторов среды обитания.

Исследование комплексной реакции растительного организма на разных стадиях развития позволит использовать полученные результаты по следующим направлениям:

1) создание модели онтогенеза растительного организма в зависимости от экологического благополучия среды обитания;

2) оценка откликов гистологических элементов, комплексов тканей, функциональных систем и морфологических признаков на изменение экологических факторов различного происхождения;

3) совершенствование структурно-функциональной системы мониторинга среды методом биоиндикации, в том числе учет антропогенной нагрузки на фоне природных факторов среды;

4) обоснование нормативов допустимых техногенных нагрузок для оптимального функционирования фитоценозов.

Аналитические физико-химические методы при широком их применении тем не менее имеют целый ряд проблем в использовании:

1. Учет ограниченного количества видов загрязнителей из-за финансовых ограничений.

2. Малые пороги восприятия и высокая погрешность при определении целого ряда химических веществ.

3. Невозможность постоянного учета состава и концентрации в течение суток и сезонов года.

4. Невозможность оценки комплексного характера воздействия на многообразие видов живых организмов в разные этапы развития и состояние их «здоровья».

5. Проблематичность в оценке дозировки химических веществ, приводящих к необратимым последствиям нарушения гомеостаза организмов разных систематических рангов и стадий онтогенеза.

6. Трудность в оценке синергетического эффекта и выявление значений предельно допустимых концентраций для отдельных компонентов.

7. Значительные материальные и трудовые затраты по организации системы слежения и методики оценки комплекса загрязнителей.

8. Невозможность слежения за динамикой состояния загрязнителей среды в различных биоценозах одновременно.

Часть этих проблем может быть решена с использованием биоиндикационных методов анализа, которые дадут возможность:

1. Учитывать видовой состав экосистемы, что позволит конкретизировать состав и концентрации загрязнителей для различных биоценозов в зависимости от их чувствительности.

2. Учитывать комплексный характер воздействия всех загрязнителей, в том числе и их синергетический эффект.

3. Выделить видовой состав и стадии онтогенеза наиболее чувствительных организмов для комплексного анализа состояния среды с целью выявления показателей комфортности.

4. Оценить состояние почвенно-климатических условий и загрязнителей атмосферы для выявления источников дисбаланса экосистем.

5. Проследить за динамикой воздействия загрязнителей не только в текущий момент, но и «заглянуть в прошлое» посредством ретроспективного анализа уже сформированных анатомических структур древесных растений.

6. Экономно расходовать средства для получения эффективной оценки состояния среды и прогноза мероприятий по ее оптимизации.

7. Научно обосновывать значение предельно допустимых концентраций в различных природно-климатических зонах с учетом реакции биологических объектов.

В настоящее время широко дискутируются возможности использования живых организмов разных видов для биоиндикации. Несомненно, использование любого вида возможно, и актуальность исследований связана с поставленными целями. В то же время, использование растений для целей биоиндикации по сравнению с животными организмами является более перспективным в связи с их большей чувствительностью и отсутствием миграций.

Проанализировав многочисленные литературные источники по истории изучения вопроса о влиянии загрязнения атмосферы на растения (Нелюбов, 1900; Сабашников, 1911; Красинский, 1937, 1939. 1950; Холлидей, 1962; Николаевский, 1979; Трешоу, 1988), по особенностям поступления и преобразования основных фитотоксикантов в атмосфере (Junge, 1963; Pasquill, 1974; Garland, 1978; Постхимус, 1988; Бандман, 1988, 1989, 1990; Брендшнайдер, Курфюрст, 1989), по использованию растительных объектов для организации мониторинга (Quinche, 1975; Pakarinen, Makinnen, 1976; Lotscher, Kohm, 1977; Дамянова, Валиков, 1980; Panciano, 1983; Мартин,

1984; Опар, 19&8),._по реакции на биоценотическом (Мартин, 1984; Оттар, 1988), организменном (Красинский, 1937, 1950; Николаевский, 1979; Трешоу, 1988), на тканев€хм-(Лайр_анд, 1981; Еремин, 1987, 1987, 1988, 1989, 1990; Лотова, 1988), на клеточном ^OBHe-(Wellburn, 1972; Сойккели, Каранлампи, 1988) и в связи с. концентрацией и составом загрязнителей атмосферы (Кулагин, 1974; Илькун, 1978; Николаевский, 1979, 1983; Гудериан, 1979; Ранкелз, 1988), можно констатировать перспективность дальнейшего исследования древесных растений как индикаторов (сенсоров) состояния окружающей среды.

Использование светооптических методов позволяет сравнить качественные и количественные показатели анатомической структуры достаточно разнообразных и многочисленных комплексов тканей и имеет целый ряд преимуществ по сравнению с ультраструктурными и гистохимическими методами:

1. Возможность сравнительной количественной оценки реакции тканей и слагающих их гистологических элементов, функциональных систем и различных организмов. Ультраструктурные исследования дают возможность сопоставлений с высокой степенью достоверности лишь при огромных объемах исследуемых параметров клеток из-за высокой вариабельности. Объективные трудности статистической обработки материалов сопоставимы с детальными исследованиями атмосферных поллютантов физико-химическими методами, а квалификационные требования и экономические затраты на проведение ультраструктурных биоиндикационных исследований делают этот подход не рентабельным.

2. В отличие от гистохимических методов исследования, светооптические методы дают возможность исследования сформировавшихся структур. Разнообразие, высокая вариабельность интенсивности и продуктов физиологических процессов, чувствительность к сезонным и суточным микроклиматическим характеристикам, разнообразие

артефактов в связи с используемыми методиками остро ставят проблему идентификации причин гистохимических изменений.

3. Использование различных методик сбора, фиксации, приготовления препаратов для светооптических, ультраструктурных и гистохимических исследований лишают возможности сопоставления результатов количественных изменений. Так, различия в методике фиксации препаратов для ультраструктурных и светооптических исследований дают коэффициент вариации количественных признаков более 25 %, что значительно больше изменчивости параметров под действием пессимальных факторов.

Индивидуальные особенности модельных деревьев и отсутствие возможности одновременного сбора в идентичных условиях протекания физиологических процессов при гистохимических исследованиях искажают объективную картину реакции в разных частях обширного ареала.

В отличие от лихеноиндикации, дендрологические исследования позволяют:

1. Проанализировать динамику воздействия комплекса загрязнителей по сформированным гистологическим элементам тканей прошлых лет.

2. Использовать жизненные формы биоценозов разных природных зон в качестве удобного объекта для крупномасштабных сравнений.

3. Осуществлять измерение показателей как в естественных, так и в природно-антропогенных, например в городских экосистемах, где исследования с использованием лихенобиоты затруднены.

4. Наличие многолетних органов и функциональных систем позволяет проанализировать качественные и количественные изменения структур под влиянием факторов внешней среды, выявить критические уровни загрязнения среды.

10

Использование травянистых жизненных форм затруднено из-за короткого периода их жизни, быстротечности фенологических фаз и изменения чувствительности в онтогенезе.

Среди древесных растений удобным видом является сосна обыкновенная (Pinus sylvestris L.) в связи с ее :

1. Большей чувствительностью по сравнению с лиственными породами из-за замедленного процесса листопада и накоплением загрязнителей в теле растения.

2. Относительно простой и удобной для исследования и статистического анализа анатомической структурой.

3. Широким ареалом в разных природных зонах, начиная с лесотундры и заканчивая степями.

4. Частым использованием в качестве лесопарковой культуры в районах с высоким уровнем промышленного производства и транспортной нагрузки.

Оценка влияния на растительность атмосферных загрязнителей является составной частью биомониторинга, включающего в себя систему процессов взаимодействия источников загрязнения на растительность окружающей территории (Ниомаркаи, 1982; Петрухин, 1982; Пастухов, 1982; Абрамовский, 1986). Одним из существенных моментов мониторинга является научное обоснование предельно допустимых концентраций (Еремин, Савицкая, 1987; Луговской, 1992).

Для определения состава, концентрации и динамики распространения загрязнения существует два основных способа: стационарный и маршрутный, заключающиеся в периодическом отборе проб для определения динамики распространения загрязнителей (Перегуд, Гернет, 1973; Перегуд, 1978; Уорк, Уорнер, 1980; Перегуд, 1981; Муравьева, 1982; Робинсон, 1988; Оттар, 1988). Однако оба способа определения загрязнения воздуха имеют существенный недостаток — невозможность учета большого количества

11

загрязнителей. Установлены предельные концентрации для 146 видов отдельных веществ и 27 типов веществ совместного действия (Брейтшнайдер, Курфюрст, 1989), что делает работу по анализу концентраций трудоемкой, требующей разнообразных методик, оборудования и больших затрат труда специалистов и времени. Кроме этого, анализ состояния воздуха дает информацию о состоянии в какой-то момент времени, по определенному конкретному загрязнителю или же влиянию по системе «доза загрязнителя — объект» без учета различной чувствительности видов животных, растений и человека.

Одной из задач мониторинга является строгий контроль за состовом атмосферы и управление состоянием среды. Именно действие совокупности факторов за сравнительно длительный период времени можно наблюдать, если взять долгоживущие растительные объекты, позволяющие сделать вывод о целостности реакции на загрязнение и составить прогноз (Lotscher, Kohm, 1977). Нормативы состояния атмосферного воздуха рассматриваются как следствие хозяйственной деятельности и служат юридической основой оценки ее эколого-экономической оптимальности.

Общая характеристика работы Актуальность темы диссертации.

Продолжающееся ухудшение состояния природной окружающей среды, деградация природных систем' жизнеобеспечения и медленные ответные действия общества привели к реальной опасности экологического бедствия.

Чтобы предотвратить дальнейшее развитие негативных процессов среды, улучшить экологическую ситуацию и обеспечить потребности населения в природных ресурсах, необходимо иметь достоверные данные о состоянии природных систем и их антропогенных изменениях. Получение

12

надежной оперативной и опережающей информации о состоянии среды и природных комплексах является важнейшей задачей комплексного мониторинга. В настоящее время при проведении мониторинговых наблюдений широко используются геохимические, геофизические и индикационные методы. В последних решающую роль играет биоиндикация на уровне организма, биогеоценоза, экосистемы и ландшафта, которая дает информацию как об одномоментных состояниях среды, так и многолетних интервалах антропогенного воздействия. Преимущество биоиндикации связано с высокой чувствительностью организмов-индикаторов и относительной быстротой проведения анализов, что выгодно отличает ее от других методов мониторинга.

Особую актуальность имеет научно-методическое обоснование методики использования древесных растений для биоиндикации, позволяющей учесть степень влияния на растительный организм комплекса естественного факторов и техногенной нагрузки в различных почвенно-климатических условиях ареала в зависимости от этапов онтогенеза и научно обосновать нормы допустимого химического воздействия на природные ландшафты.

Цель и задачи исследований

Основной целью диссертационной работы является исследование морфолого-анатомической реакции растительного организма на примере сосны обыкновенной на действие естественных и техногенных факторов среды, разработка научно-методических основ оценки оптимальности среды и выработка рекомендаций для оценки уровня антропогенного прессинга на ландшафты различных регионов Русской равнины.

Для достижения этой цели в работе поставлены и решены следующие основные задачи:

13

1. Оценка влияния комплекса атмосферного загрязнения и почвенно-климатических факторов среды на морфолого-анатомическую структуру вегетативных органов сосны обыкновенной (Pinus sylvestris L).

2. Изучение реакции морфолого-анатомической структуры вегетативных органов сосны обыкновенной разных этапов онтогенеза в зависимости от комплекса природных абиотических и техногенных факторов.

3. Выявление особенностей структурной реакции тканей проводящей и других функциональных систем сосны в различных стадиях онтогенеза.

4. Определить перспективы применения показателей морфолого-анатомической реакции сосны для мониторинга природной среды.

Объект и предмет исследования

Объектом исследования являлось морфолого-анатомическое строение сосны обыкновенной на уровне клеток, тканей, органов и систем органов имматурной, генеративной, сенильной стадий развития, сформированное в различных почвенно-климатических условиях Русской равнины под влиянием различной степени антропогенной нагрузки. В предмет исследования входило изучение возможности использования количественной реакции структурных элементов проводящей функциональной системы для целей мониторинга природной среды.

Научная новизна

Предложено новое научное направление исследование реакции растительного организма на уровне функциональных систем под действием комплекса экологических факторов естественного и антропогенного происхождения.

Введены новые понятия «функциональная система», предложены их классификация и состав, «стал» как совокупность проводящих тканей и образующих их латеральных меристем.

14

Построена модель реакции сосны на разных уровнях организации растительного организма в имматурной, репродуктивной и сенильной стадиях онтогенеза. (Рис. 1).

Разработана методология исследования качества природной среды методом биоиндикации с использованием соотношений тканей в составе функциональной системы и показателя суммации как суммы долей ПДК веществ (Рис. 2)..

Научные результаты и положения, выносимые на защиту

- Адаптивный характер морфолого-анатомической реакции растения на уровне тканей, органов, функциональных систем и построение модели структурной реакции растения как целостного организма на различных этапах онтогенеза под действием антропогенного прессинга в разных почвенно-климатических условиях Русской равнины.

- Возможность использования параметров структурной реакции функциональных систем для мониторинга природной среды, проведения мероприятий по биофильтрации атмосферы, оптимизации природопользования в антропогенных ландшафтах.

- Обоснование применения показателей суммирования долей норм предельно допустимых концентраций веществ при комплексном одновременном воздействии атмосферных загрязнителей и уменьшение существующих норм ПДК в зависимости от естественных факторов среды и набора загрязнителей для ландшафтного мониторинга.

Практическая значимость

Теоретические положения являются основой для исследования реакции растительных организмов на действие факторов среды на уровне функциональных систем, интересным является рассмотрение эволюционных аспектов формирования стила - комплекса проводящих тканей и латеральных меристем у высших растений.

15

Изучение влияния природных факторов на анатомическую структуру сосны

Концептуальная модель

структурной реакции растения в

системе «природный фактор —

техногенное воздействие»

т

Оценка влияния

комплекса факторов

на разных уровнях

организации

организма с учетом

стадии онтогенеза

Изучение влияния техногенных факторов на анатомическую структуру сосны

Моделирование нормы реакции функциональных систем в разных почвенно-климатических условиях природных зон под влиянием техногенного фактора

Диагностика качества среды в интразональных техногенных ландшафтах с использованием картографического подхода

Рис. 1. Методология оценки качества среды на основе анатомических показателей функциональных систем

16

Природные пессимальные бакторы

Антропогенные бакторы

С

Растение имматурной, репродуктивной, сенильной стадий онтогенеза

Снижение интенсивности метаболизма

Уменьшение количества меристематических делений

Изменение соотношения ксилемы и флоэмы при специализации

производных меристем

Уменьшение параметров гистологических элементов и тканей при сохранении соотношения в функциональной системе

Возврат к интенсивному

метаболизму и оптимальной

структуре при устранении

прессинга

При сохранении прессинга из

имматурной стадии онтогенеза в

репродуктивную и сокращение ее

продолжительности

Ускоренный переход из имматурной и репродуктивной в сенильную стадию онтогенеза

Дестабилизация соотношения структур функциональных систем

гибель

Рис. 2. Концептуальная модель структурной реакции сосны разных этапов онтогенеза на действие совокупности природных и антропогенных факторов

17

Методологические аспекты были применены для региональных геоэкологических исследований в Воронежской области, биомониторинга атмосферного загрязнения в г. Россошь. Дорогобуж, Северодонецк, для оценки качества среды экосистем наземного базирования. Материалы исследований применены для разработки спецкурсов в ВШУ.

Личный вклад соискателя

Основной объем исследований автором проведен самостоятельно, полученные выводы являются авторскими, результаты исследований опубликованы в соавторстве с Ереминым В.М., Межовой Л.А., Шереметьевым В.И., Григорьевской А.Я., Саврасовой Н.И. для применения полученных результатов в различных областях научных исследований.

Апробация результатов диссертации

Основные результаты диссертационной работы доложены и обсуждены на Всесоюзном семинаре «Образование и строение древесной ткани» (Рига, 1990), на X съезде Российского географического общества (Санкт-Петербург, 1995), на научно-практической конференции «Проблемы экологии и рационального природопользования Северо-запада России» (Псков, 1995), на научно-практической региональной конференции «Национальное возрождение России: Теория и практика» (Ростов-Дон, 1996), на пятой международной конференции ассоциации «Экологическое образование» (Санкт-Петербург, 1996), на Всероссийской межвузовской конференции «Территориальная организация общества и управление в регионах» (Воронеж, 1996), региональной научно-практической конференции «Проблемы экологии и экологической безопасности Центрального Черноземья» (Липецк, 1996), на второй научно-практической конференции «Человек в зеркале современной географии» (Смоленск, 1996), на научно-практической конференции, посвященной 150-летию со дня рождения В.В. Докучаева «Стабилизация развития АПК Центрального Черноземья на основе рационального использования природно-ресурсного потенциала.»

Список литературы