Морфофункциональные особенности видов хвойных в условиях урбанизированной среды | Вестн. Том. гос. ун-та. 2009. № 327.

Морфофункциональные особенности видов хвойных в условиях урбанизированной среды

Представлены материалы по выявлению механизмов адаптации растений к условиям урбанизированной среды. Показано, что структурно-функциональные параметры (размер хвои, толщина покровных тканей, объем проводящих тканей, интенсивность темнового дыхания, фотохимическая активность хлоропластов и флуоресценция хлорофилла) являются объективными показателями ослабления деревьев техногенными эмиссиями.

Morphofunctional features of species of conifers in urban environment.pdf Хвойные деревья являются единственными вечно-зелеными древесными растениями в сибирских горо-дах. Это повышает их эстетическую роль в зимний пе-риод. Однако вечнозеленые растения более уязвимы к воздействию аэротехногенных примесей по сравнению с листопадными видами из-за многолетнего накопле-ния токсикантов на листовом аппарате.Цель работы заключалась в изучении морфофунк-циональных особенностей хвойных деревьев в услови-ях городской среды. Нами были исследованы морфоло-гические, физиологические и анатомические изменения в организмах древесных растений с использованием традиционных и современных оперативных методов.Объекты и методы исследованийНаши исследования экологии городских хвойных деревьев проводились в трёх взаимосвязанных направ-лениях. Это морфометрическая оценка состояния хвойных деревьев в черте города; оценка состояния фотосинтетического аппарата растений на разных уровнях структурной организации (кроны, побега, лис-та) и исследование особенностей некоторых физиоло-гических процессов.В качестве объектов были выбраны 25-летние по-садки сосны обыкновенной (Pinus sylvestris L.) и ели сибирской (Picea obovata Ldb.) в г. Томске. Томск не входит в перечень городов РФ с высоким уровнем за-грязнения атмосферного воздуха, суммарные выбросы в атмосферный воздух загрязняющих веществ всеми источниками в 1996 г. составили 70,81 тыс. т/год, в том числе от автотранспорта - 46,77 тыс. т/год [1]. Однако даже такой уровень загрязнения сказывается на росте и состоянии городских насаждений.Пробные площади были расположены в двух слабо загрязненных районах (Лагерный сад и Академгоро-док), в средне загрязненной зоне находится Москов-ский тракт. Высокий уровень загрязнения был пред-ставлен микрорайонами Каштак, Михайловская роща и ГРЭС-2 [2]. Контрольная точка располагалась в 20 км к юго-западу от города.Для исследования структурно-функциональных и морфологических изменений хвои 2-го года вегетации с 10 отдельно стоящих деревьев из средней части кро-ны с южной стороны срезались по 2-3 бесполые мо-дельные ветви. Структурные параметры измерялись на поперечном срезе хвои под микроскопом «МБИ-3» при помощи окуляр-микрометра «МОВ-1-15х». Концентра-ция пигментов (хлорофилл a, хлорофилл b, каротинои-ды) в хвое растений определялась спектрофотометри-ческим методом трехкратной повторности [3] на спек-трофотометре СФ-26. Определение фотохимической активности изолированных хлоропластов проводили по реакции фотовосстановления феррицианида калия (K3Fe(CN)6) [4]. Исследование газообмена растений выполнялось на базе Института оптики атмосферы СО РАН высокочувствительным методом лазерной оптико-акустической спектроскопии [5].Регистрацию флуоресцентных параметров хвои со-сны обыкновенной и ели сибирской проводили на флуориметрах «Фотон-5» и «Фотон-7-1», разработан-ных на кафедре экологии КрасГУ. Оценку глубины зимнего покоя и динамики выхода из этого состояния проводили посредством регистрации термоиндуциро-ванных изменений нулевого уровня флуоресценции (ТИНУФ) хлорофилла хвои исследуемых растений в диапазоне от 20 до 75°С при средней скорости нагрева 5 град/мин [6]. В качестве показателей замедленной флуоресценции взяты значения амплитуд быстрой (миллисекундной) и медленной (секундной) компонент затухания послесвечения, а также их отношение - от-носительный параметр (ОП) ЗФ. Регистрация быстрой и медленной компонент ЗФ производилась, соответст-венно, на высоком (ЗФв) и низком (ЗФн) возбуждаю-щем свету. ОП ЗФ, благодаря относительности изме-ряемой величины, практически не зависит от массы и размера исследуемого образца [7].Все результаты проведенных исследований были стати-стически обработаны (α = 0,05) по типовым методикам [8, 9].Результаты и обсуждениеАнализ морфометрических показателей роста сосны обыкновенной показал, что c увеличением техногенной нагрузки наблюдаются уменьшение линейного прирос-та ствола, снижение класса бонитета и апикальной до-минантности, а также увеличение интенсивности пло-доношения (табл. 1) [10].По морфолого-анатомическим изменениям побегов и хвои установлено, что в городских условиях у сосны значительно снижается густота охвоения побегов и появляется склонность к ксероморфизму в строении листового аппарата [11]. Это выражается в том, что под действием техногенных эмиссий у растений утолщает-ся кутикула, клетки мезофилла становятся более вытя-нутыми и уменьшается размер хвоинок.Наряду с уменьшением густоты охвоения 3-5-летних побегов у городских деревьев наблюдается увеличение количества хвои 1-2-го года (рис. 1, 2). Таким образом, растения компенсируют потерю более старой хвои.214Т а б л и ц а 1Средние значения морфометрических параметров сосновых деревьевУровень загрязненияДиаметр ствола, смВысота ствола, мДлина кроны, мДК /ШКПлодоношениеБонитетКонтроль15,1 ± 0,814,0 ± 0,27,1 ± 0,32,20,9 ± 0,2I бСлабый13,5 ± 0,78,7 ± 0,36,6 ± 0,31,81,8 ± 0,4IСлабый12,7 ± 0,48,7 ± 0,26,2 ± 0,21,62,7 ± 0,3IIСредний18,3 ± 0,89,9 ± 0,26,7 ± 0,31,63,6 ± 0,4IIСильный12,8 ± 0,47,4 ± 0,25,4 ± 0,21,52,6 ± 0,4IIIСильный17,6 ± 0,98,0 ± 0,36,3 ± 0,31,34,8 ± 0,3IIIПримечание. ШК - ширина кроны, ДК - длина кроны.4 год5 годСильный2 годСлабый Сильный= Слабый -♦-КонтрольРис. 1. Густота охвоения побегов сосны в зависимости от уровня загрязнения района произрастания, %1 год2 год3 год4 год5 годСлабыйСильныйКонтрольСлабый СильныйРис. 2. Количество ежегодно образующейся хвои на побегах сосны в зависимости от уровня загрязнения района произрастания, шт.Морфологические и структурные изменения листового аппарата растений в большинстве случаев являются следствием функциональных нарушений. Обнаружено, что у городских деревьев содержание пигментов незначительно отличается от контрольного насаждения, что свидетельствует о сформированности фотосинтетического аппарата и его устойчивой работе. Однако фотохимическая активность хлоропластов заметно ниже в условиях города, при этом наиболее высокая активность зафиксирована в Академгородке (93% от фоновых показателей), из чего можно сделать заключение о преимущественной чистоте этого района. В других же районах города фотохимическая активность была примерно одинаковая и составила 71-74% от контрольных значений.Помимо рассмотренных традиционных методов функциональной диагностики мы апробировали три современных методики: метод лазерной оптико-акустической спектроскопии и два флуоресцентных метода.В результате изучения кинетики СО2 газообмена было обнаружено, что деревья, произрастающие в городской среде, отличаются более высокой интенсивностью дыхательных процессов (количество выделенного СО2 в первые сутки превосходит в 1,3 раза, а к третьим суткам - больше чем в 2 раза фоновые значения) (рис. 3).Регистрация различных параметров быстрой и замедленной флуоресценции широко используется для изучения процессов фотосинтеза и влияния факторов внешней среды на растения. На рис. 4 представлена динамика выхода из состояния покоя ели сибирской из четырех контрастных по уровню загрязнения точек города. Для сравнения приводятся данные по сосне в слабо загрязненном и сильно загрязненном районах.2156050403020100Контроль Сильный Сильный2246Время экспонирования, чРис. 3. Темновое дыхание хвои сосны в зависимости от уровня загрязнения района произрастания10 11 12 дниЕль, сильно загрязненный Ель, сильно загрязненный Ель, слабо загрязненный Ель, контрольСосна, сильно загрязненный Сосна, слабо загрязненныйРис. 4. Изменение отношения низко- и высокотемпературного максимумовнулевого уровня флуоресценции (К) хвои сосны и ели из различных районовг. Томска по мере выхода из состояния зимнего покоя в лабораторных условиях (март)Оценку выхода хвои из покоя проводили по коэф-фициенту К, который рассчитывался как отношение амплитуд низкотемпературного (50-55°С) и высоко-температурного (около 70°С) максимумов на получен-ных термограммах [12]. Чем больше этот показатель, тем выше активность фотосинтетического аппарата растения и меньше глубина его покоя. Анализ полу-ченных результатов показал, что чем выше загазован-ность воздуха в районе произрастания, тем быстрее растения выходят из состояния покоя [13].Одновременно с исследованиями по ТИНУФ хвои проводился анализ показателей замедленной флуорес-ценции растений в наиболее контрастных по уровню загрязнения точках города. Из табл. 2 следует, что ин-тенсивность флуоресценции как по значению амплиту-ды замедленной флуоресценции на высоком возбуж-дающем свету, так и по её относительному показателю выше у растений из более загрязненных районов, что подтверждает более быстрый выход данных растений из покоя.Значения показателей замедленной флуоресценции хвои сосны и ели, произрастающих в контрастных по уровню атмосферного загрязнения районах г. Томска (март)Т а б л и ц а 2ПородаРайон городаЗФвОП ЗФЕльКонтроль691 ± 343,31 ± 0,09 Сильно загрязненный1166 ± 615,08 ± 0,13СоснаСлабо загрязненный1634 ± 575,13 ± 0,13 Сильно загрязненный2753 ± 736,11 ± 0,12Примечание. ЗФв - интенсивность замедленной флуоресценции на высоком возбуждающем свету; ОП ЗФ - относительный показатель замед-ленной флуоресценции.В городской среде у хвойных растений происходят из-менения на всех структурных уровнях, нарушаются основ-ные физиологические процессы. Пока эти отклонения вви-ду сравнительно невысокого уровня атмосферного загряз-нения в Томске и молодого возраста исследуемых растений носят незначительный характер. Сосну обыкновенную можно эффективно использовать в качестве биоиндикатораэкологического состояния урбанизированных экосистем. А структурно-функциональные параметры, такие как размер хвои, толщина покровных тканей, объем проводящих тка-ней, интенсивность темнового дыхания, фотохимическая активность хлоропластов и флуоресценция хлорофилла, являются объективными показателями ослабления деревь-ев техногенными эмиссиями.

Ключевые слова

Pinus sylvestris, Picea obovata, урбанизированная среда, флуоресценция, темновое дыхание, анатомия хвои, техногенные эмиссии, Pinus sylvestris, Picea obovata, urban areas, fluorescence, dark respiration, anatomy of fur-needles, industrial emissions

Авторы

ФИООрганизацияДополнительноE-mail
Собчак Раиса ОлеговнаГорно-Алтайский государственный университеткандидат биологических наук, профессор кафедры ботаники и фитофизиологииsobchak@mail.ru
Куровская Лариса ВалерьевнаБиологический институт Томского государственного университетакандидат биологических наук, доцент кафедры лесного хозяйства и ландшафтного строительстваl_kurovskaya@mail.ru
Всего: 2

Ссылки

Специальный практикум по биохимии и физиологии растений / Под ред. М.М. Окунцова. Томск: Изд-во ТГУ, 1974. 144 с.
Сводный том предельно допустимых выбросов (ПДВ) вредных веществ в атмосферу г. Томска. Пояснительная записка / В.М. Торопов,А.П. Быков и др. Новосибирск, 1997. Кн. 1. 433 с.
Экологический мониторинг. Состояние окружающей природной среды Томской области в 1996 году // Государственный комитет по охране окружающей среды Томской области. Томск, 1997. 202 с.
Гавриленко В.Ф., Ладыгина М.Е., Хандобина Л.М. Большой практикум по физиологии растений. Фотосинтез. Дыхание. М.: Высш. шк., 1975. 392 с.
Агеев Б.Г., Антипов А.Б., Астафурова Т.П., Воробьева Н.А. и др. Кинетика выделения СО2 травянистыми и хвойными растениями при воздействии озона // Оптика атмосферы и океана. 1998. Т. 11, № 4. С. 355-358.
Пахарькова Н.В. Замедленная флуоресценция хлорофилла хвойных в условиях техногенного загрязнения атмосферы: Автореф. дис. … канд. биол. наук. Красноярск, 1999. 22 с.
Григорьев Ю.С., Фуряев Е.А., Андреев А.А. Способ определения содержания фитотоксических веществ // Патент № 2069851. Бюл. изобр. № 33 от 27.11.96.
Лакин Г.Ф. Биометрия. М.: Высш. шк., 1990. 245 с.
Зайцев Г.Н. Математический анализ биологических данных. М.: Наука, 1991. 184 с.
Хан (Куровская) Л.В., Ильченко Н.В. Особенности роста сосны обыкновенной и сосны кедровой сибирской в парках г. Томска // Экология и рациональное природопользование на рубеже веков. Итоги и перспективы: Материалы Междунар. конф. Томск, 2000. С. 106-108.
Хан (Куровская) Л.В. Морфологические изменения хвои сосны обыкновенной в условиях городской среды // Актуальные проблемы лесного комплекса: Сб. информ. материалов междунар. науч.-техн. конф. «Лес-2000». Брянск: РИО БГИТА, 2000. Вып. 1. С. 91-92.
Гаевский Н.А., Сорокина Г.А., Гольд В.М., Миролюбская И.В. Сезонные изменения фотосинтетического аппарата древесных и кустарниковых пород // Физиология растений. 1991. Т. 38, № 4. С. 685-688.
Хан (Куровская) Л.В. Влияние аэротехногенного загрязнения на физиологическое состояние сосны обыкновенной // Науки о человеке: Сб. ст. молодых ученых и специалистов по материалам международного конгресса «Научная молодежь на пороге ХХI века». Томск, 18-19 мая 2000 г. Томск: СГМУ, 2000. С. 179-181.
 Морфофункциональные особенности видов хвойных в условиях урбанизированной среды | Вестн. Том. гос. ун-та. 2009. № 327.

Морфофункциональные особенности видов хвойных в условиях урбанизированной среды | Вестн. Том. гос. ун-та. 2009. № 327.

Полнотекстовая версия