Биоэкологические особенности древесных растений и обоснование их использования в целях экологической оптимизации урбаносреды (на примере г. Ижевска)

На правах рукописи БУХАРИНА ИРИНА ЛЕОНИДОВНА БИОЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ ДРЕВЕСНЫХ РАСТЕНИЙ И ОБОСНОВАНИЕ ИХ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ В ЦЕЛЯХ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ ОПТИМИЗАЦИИ УРБАНОСРЕДЫ (НА ПРИМЕРЕ г. ИЖЕВСКА) Специальность 03.00.16 – экология Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора биологических наук Тольятти – 2009 Работа выполнена в Федеральном государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Ижевская государственная сельскохозяйственная академия» НАУЧНЫЙ КОНСУЛЬТАНТ: Доктор биологических наук, профессор Туганаев Виктор Васильевич ОФИЦИАЛЬНЫЕ ОППОНЕНТЫ: Член-корреспондент РАН, доктор биологических наук, профессор Титов Александр Федорович Доктор биологических наук, профессор Кулагин Андрей Алексеевич Доктор биологических наук, профессор Кавеленова Людмила Михайловна ВЕДУЩАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ: Ботанический сад УрО РАН (г. Екатеринбург) Защита состоится 11 февраля 2009 г. в 11 часов на заседании диссертационного совета Д 002.251.01 при Институте экологии Волжского бассейна РАН по адресу: 445003, Самарская обл., г. Тольятти, ул. Комзина, 10 Тел.(8482) 489977, тел./факс (8482) 489504, E-mail: ievbras2005@mail.ru С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института экологии Волжского бассейна РАН, с авторефератом – на сайте ВАК www.vak.ed.gov.ru Автореферат разослан «___» января 2009 г. Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат биологических наук А.Л. Маленев ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность темы исследования. Высокие темпы урбанизации, наблюдаемые в настоящем, и соответствующие прогнозы поставили вопросы улучшения экологической обстановки в городах в ряд важнейших задач современности. Стабилизировать и оптимизировать урбаносреду возможно лишь путем поддержания на высоком уровне жизнедеятельности растений. Особенности жизнедеятельности и экологическая роль древесных растений в городах изучались многими известными учеными (Кулагин, 1974; Тарабрин, 1974; Николаевский, 1979, 2002; Сергейчик, 1984; Горышина, 1991; Неверова, 1999, 2001, Кавеленова 2003 и др.). Важные характеристики растений, отражающие особенности адаптации к окружающим условиям, ритм роста и развития, ассимиляционная активность, изменение биохимического состава применительно к урбаносреде изучены далеко не в полной мере и требуют более детальной разработки. Современные города представляют собой природно-антропогенные образования с интенсивно используемыми территориями. Это делает необходимым решение задач эффективного научно-обоснованного экологического их обустройства и, прежде всего, с использованием зеленых насаждений, для чего необходимо обладать достаточной информацией об эколого-физиологическом состоянии древесных растений, позволяющей оценить функциональный вклад каждого вида в изменение качества среды в направлении ее улучшения. При разработке проектов экологической оптимизации урбаносреды нельзя полагаться лишь на возможности насаждений города, поэтому пригородные территории следует использовать в качестве «поставщиков» основных экологических ресурсов, а это требует пересмотра концептуальных подходов к их организации. Цель работы – на основании анализа эколого-биологических особенностей древесных растений, произрастающих в различных структурно-функциональных насаждениях, обосновать их использование в экологической оптимизации урбаносреды в лесной зоне Предуралья (на примере г. Ижевска). Для достижения поставленной цели решались следующие задачи: Изучить видовой состав, жизненное состояние, особенности ритмов сезонного развития и формирования морфоструктуры годичного побега древесных растений в насаждениях различного экологического назначения. Выявить особенности и эффективность физиолого-биохимических адаптивных реакций (ассимиляционная активность, водоудерживающая способность), участия элементов антиоксидантной системы защиты (аскорбиновой кислоты и фенольных соединений) у древесных растений в условиях урбаносреды. Установить особенности динамики химических элементов в побегах древесных растений в отдельные периоды вегетации в условиях интенсивной техногенной нагрузки. Оценить возможность использования изученных физиолого-биохимических и морфологических параметров для оперативного мониторинга. Дать экологическую оценку городским и пригородным насаждениям как средообразующему фактору и на этой основе разработать направления и принципы экологической оптимизации урбаноэкосистем. Несмотря на зональные различия, различия транспортно-промышленного комплекса, ряд экологических проблем большинства крупных промышленных центров носит общий характер. В качестве модели крупного промышленного центра выбран г. Ижевск с населением свыше 630 тыс. человек, развитой промышленностью, транспортной сетью и социальной инфраструктурой. Уровень загрязнения в г. Ижевске соответствует среднестатистическим показателям городов России. Такого рода исследования в Ижевске проводятся впервые. Научная новизна. Материалы исследований углубляют и расширяют существующие представления об особенностях роста и развития, метаболизма, роли низкомолекулярных компонентов антиоксидантной системы защиты в адаптации растений к условиям урбаносреды, динамике основных элементов минерального питания в структурных частях растений. Впервые для лесной зоны Предуралья на основе комплексного изучения физиолого-биохимических показателей выявлены общие и видоспецифические особенности адаптивных реакций у местных и интродуцированных видов древесных растений в различных структурно-функциональных типах насаждений города. Оценена возможность использования регионально значимых, видовых особенностей физиолого-биохимических и морфологических реакций растений в биомониторинге урбаносреды. Дана оценка функционального вклада видов древесных растений, городских и пригородных насаждений в экологическую оптимизацию урбаносреды. Установлено, что многие виды древесных растений, хотя и имеют хорошие показатели жизненного состояния, но существенно отличаются физиологически, обладают разной функциональной активностью и продуктивностью в условиях техногенной нагрузки, поэтому лишь некоторые из них должны стать основой ассортимента насаждений современных интенсивно развивающихся уплотненных урбанизированных образований. Автором город рассматривается как явление биосферы, в котором важнейшие компоненты – древесные растительные организмы из-за ограниченности площадей и влияния техногенной нагрузки ослабляют свои средообразующие функции и снижают способность к поддержанию равновесного состояния среды. Сформулировано представление о пригородных территориях, являющихся для города поставщиками не только вещества и энергии, но и важнейших экологических ресурсов, в связи с чем, обозначены концептуальные положения организации структуры и режима лесопользования городских и пригородных насаждений. Теоретическое значение работы. Материалы, изложенные в диссертации, сформулированные в ней научные положения и выводы, вносят вклад в развитие теоретических основ экологии и экологической физиологии растений, в разработку проблем оптимизации городской среды. Практическая значимость результатов заключается в разработке системного подхода к созданию и формированию городских насаждений различного функционального назначения и пригородной зеленой зоны. Сведения о современном состоянии древесных насаждений используются в практике ведения зеленого хозяйства в г. Ижевске. Связь темы диссертации с плановыми исследованиями. Работа выполнялась при поддержке гранта «Университеты России» № УР 07.01.050, в рамках научно-исследовательских тем по контрактам с Министерством природных ресурсов и охраны окружающей среды УР (№ 83-Э от 16.08.2006 г. и № 85-Э от 7.11.2007 г.), а также включена в перечень научно-исследовательских тем Ижевской государственной сельскохозяйственной академии (Рег. № 01.2.007. 08861). Реализация результатов исследования. Результаты исследований автора включены в Доклады об экологической обстановке в г. Ижевске в 2005-2007 гг. Управления природных ресурсов и охраны окружающей среды Администрации г. Ижевска, находят применение в работе отдела озеленения Главного Управления архитектуры и градостроительства г. Ижевска, используются при чтении курсов «Общая экология» и «Урбаноэкология» в Удмуртском государственном университете и «Экология леса», «Физиология растений» в Ижевской государственной сельскохозяйственной академии. Апробация работы. Основные результаты исследований были представлены на научных конференциях различного статуса: международной конференции «Мониторинг состояния лесных и урбо-экосистем» (Москва, 2002); International Iran and Russia Conference «Agriculture and Natural Resources» (Москва, 2002); Всероссийской конференции «Принципы и способы сохранения биоразнообразия» (Йошкар-Ола, 2004, 2006); международной конференции «Безопасность. Технологии. Управление» (Тольятти, 2005); международной конференции «Лесопользование, экология и охрана лесов: фундаментальные и прикладные аспекты» (Томск, 2005); Всероссийской конференции «Современные проблемы аграрной науки и пути их решения: секция «урбано- и агроэкология»» (Ижевск, 2005); Всероссийской конференции «Современные аспекты экологии и экологического образования» (Казань, 2005), международной конференции «Экологические и гидрометеорологические проблемы больших городов и промышленных зон» (Санкт-Петербург, 2005); международной конференции «Проблемы промышленной ботаники индустриально развитых регионов» (Кемерово, 2006); международной конференции «Творческое наследие В.И. Вернадского и проблемы формирования современного экологического сознания («Вернадские чтения»)» (Донецк, 2007); международной конференции памяти А.Л. Чижевского «Актуальные проблемы современного естествознания» (Advances in Modern Natural Sciences) (Калуга, 2007); Всероссийском семинаре «Современное состояние и пути развития популяционной биологии» (Ижевск, 2008). Декларация личного участия автора. Автором определены цель и задачи, разработана программа и осуществлена организации исследований. Основная часть работ по сбору полевого материала и его лабораторному анализу, математической обработке цифрового материала, а также вся работа по обобщению и интерпретации полученных результатов, написанию текста диссертации выполнена автором самостоятельно. На определенных этапах исследования по теме диссертации проводились совместно с Т.М. Поварнициной, К.Е. Ведерниковым и А.А. Двоеглазовой. Доля участия автора в подготовке публикаций работ в соавторстве составляет 70-90%. Основные положения, выносимые на защиту: Эколого-биологические реакции древесных растений в составе насаждений разных экологических категорий в урбосреде видоспецифичны. Виды древесных растений сходного жизненного состояния характеризуются разной функциональной активностью и обладают различным средообразующим потенциалом, что должно определять их место в системе искусственных насаждений. В условиях урбаносреды изменены ритмы сезонного развития, характер формирования годичного прироста, состав химических элементов в побегах древесных растений. Данные эколого-физиологических исследований могут быть использованы при оценке перспектив развития озеленения города и пригородной зоны. В адаптации древесных растений к урбаносреде важную роль играют компоненты низкомолекулярной антиоксидантной системы защиты (аскорбиновая кислота, фенольные соединения). Регионально значимые видовые особенности физиологических и морфологических реакций растений, формирующиеся в условиях техногенного загрязнения, представляют интерес для целей оперативного мониторинга состояния урбаноэкосистем. Принципиально улучшить экологическую обстановку в урбаносреде таких промышленных центров как г. Ижевск возможно через оптимизацию состава и структуры зеленых насаждений города с обязательным привлечением экологических ресурсов зеленой зоны. Урбоэкосистемы можно рассматривать в качестве своеобразных моделей изучения изменений, происходящих в биосфере. Публикации. Автором опубликовано 89 научных работ, по теме диссертации – 68, из которых 10 статей в научных журналах и сборниках, рекомендованных ВАК РФ и 1 монография. Структура и объем работы Диссертация изложена на 474 страницах машинописного текста, состоит из введения, 8 глав, выводов, списка литературы, включающего 501 источник, из которых 46 – на иностранных языках, 25 приложений. Работа содержит 39 таблиц и 45 рисунков. СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Глава 1. ГОРОД КАК ЭКОСИСТЕМА Дана общая характеристика города как специфической экологической среды. Приводится обзор работ отечественных и зарубежных авторов по изучению влияния антропогенных факторов на процессы жизнедеятельности растений, формирования механизмов адаптации древесных растений к условиям урбанизированной среды, средообразующей роли древесных насаждений. Приведена характеристика особенностей изменения флористического состава урбанизированных территорий. Обозначена роль городов в процессах изменения состояния биосферы (Илькун, 1971; Чуваев, Кулагин, Гетко, 1973; Кулагин, 1974; Антипов, 1979; Николаевский, 1979, 2002; Владимиров, 1982; Израэль, 1984; Алексеев, 1987; Сергейчик, 1984, 1985; Краснощекова, 1987; Безуглая, Расторгуева, Смирнова, 1991; Горышина, 1991; Усманов, Рахманкулова, Кулагин, 2001; Чернышенко, 2001; Николаевский, 2002; Морозова, Злобин, Мельник, 2003; Неверова, Колмогорова, 2003; Кулагин, Шагиева, 2005; Кавеленова, 2006; Bassuk, Whitlow, 1988; Darral, 1989; Durand, 1989; Rumelhart, 1989; Lidon, Henrigues, 1993; Forman, Alexander, 1998; Hegemeyer, 1999 и др.). Глава 2. ХАРАКТЕРИСТИКА РАЙОНА ИССЛЕДОВАНИЙ (г. ИЖЕВСК) Приведена характеристика физико-географического положения и климатических условий г. Ижевска. Климат Ижевска характеризуется как умеренно континентальный, продолжительность солнечного сияния составляет в среднем 1839 часов в год. Средняя годовая температура воздуха +2,4 °С, в последнее десятилетие она возросла примерно на 0,07 °С. Безморозный период в среднем длится 128 дней. Годовое количество осадков в городе неравномерно распределено по месяцам и в среднем составляет 508 мм (Климат Ижевска, 1979; Макальская, 1998; Природа…, 2000). В главе представлен анализ метеорологических условий периода исследований. Дана обзорная характеристика транспортно-промышленного комплекса города. Ведущими отраслями промышленности являются металлургия, теплоэнергетика, металлообработка и машиностроение. В последние годы в Ижевске произошли изменения в характере территориального распределения загрязнителей: сократились выбросы от стационарных источников, но усилилось негативное воздействие выбросов от автотранспорта (Стурман, 1998, 2005; Доклад об экологической обстановке…, 2005-2007). Глава 3. МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ Исследования проведены в 2002-2007 гг. по программе, представленной на рис. 1. Объект исследований – древесные растения, наиболее широко используемые в озеленении города, формирующие различные антропогенные сообщества и представленные в составе насаждений разных экологических категорий: магистральных посадках (улицы Удмуртская и К. Либкнехта) и санитарно-защитных зонах ведущих промышленных предприятий – ОАО «Ижсталь», «Нефтемаш», «Буммаш», «Автозавод», ИЭМЗ (Набережная Ижевского водохранилища). Согласно методическим подходам С.Н. Краснощековой (1987), в качестве зон условного контроля (ЗУК) выбраны территории Ботанического сада УдГУ (северная окраина города) и городского парка ландшафтного типа (ЦПКиО им. С.М. Кирова). Выбор насаждений проведен с учетом зонирования города по степени загрязнения почвы и атмосферного воздуха. На основании описания пробных площадей проведены отбор и нумерация учетных растений. Для характеристики роста и физиолого-биохимических исследований отобраны особи средневозрастного генеративного и хорошего или удовлетворительного жизненного состояния. Наблюдения проведены за более чем 800 учетными растениями. Анализы проводили в лаборатории физиологии и биохимии растений и лаборатории агрохимического анализа ФГОУ ВПО «Ижевская ГСХА». Содержание химических элементов – приоритетных загрязнителей (Zn, Cu, Mn, Mo, Co, Cd, Ni, Cr, Pb) в образцах почв и листьев древесных растений (отбор проб в соответствии с ГОСТ 17-4.4.02-84) определяли методом атомно-эмиссионной спектрометрии (спектрометр типа СЭ-1 на базе дифракционного спектрографа ДФС-458С и регистрирующих устройств типа ФП-4) в аккредитованной лаборатории экологического контроля Казанского государственного университета. Математическую обработку материалов провели с применением статистического пакета «Statistica 5,5». Использованы методы описательной статистики, дисперсионный многофакторный анализ (при последующей оценке различий методом множественного сравнения LSD-test), кластерный, корреляционный анализы (коэффициент ранговой корреляции Спирмена) и метод главных компонент. ПРОГРАММА ИССЛЕДОВАНИЙ Изучение состояния и экологической роли древесных растений в городских насаждениях Экологическая характеристика зеленой зоны города ↓ ↓ ↓ ↓ ↓ ↓ Эколого-биологическая характеристика района исследований 1. Анализ состояния среды (изучение фондовых материалов, использование методов химического контроля воздуха и анализа городских почв, снежного покрова); 2. Характеристика видового состава и состояния насаждений (изучение фондовых материалов, применение методики таксации и инвентаризации насаждений (Соколов, 1998; ГОСТ 2140 – 81; Инструкция…, 2002), маршрутного метода, методики описания пробных площадей и выделения учетных особей растений (Родин и др., 1968; Гришина и др., 1971; Метод. реком. ..., 1981). Изучение особенностей роста и развития древесных растений в насаждениях 1. Анализ жизненного состояния (Николаевский, 1999); 2. Фенологические наблюдения (Булыгин, Ярмишко, 2001); 3. Выявление особенностей роста по показателям напряженности роста и прироста ствола по объему (Ушаков, 1997; Верхунов, Мазуркин, 1999); 4. Анализ формирования и зимостойкости годичного прироста побегов (на основе морфометрического анализа и балльной оценки зимостойкости). Оценка функционального состояния растений 1. Определение ассимиляционной активности (Быков, 1974) и водоудерживающей способности листьев (Николаевский, 2002); 2. Характеристика элементов антиоксидантной системы защиты растений (применение ГОСТ 24556-89 для определения аскорбиновой кислоты и метода Нейбауэра-Лёвенталя для таннинов). Анализ метаболизма химических элементов в структурных частях растений 1. Определение содержания основных элементов минерального питания в побегах в течение вегетации (использование методов агрохимического анализа); 2. Анализ зольности (по общепринятому методу) и динамики содержания тяжелых металлов в побегах растений (использование метода атомно-эмиссионной спектрометрии). Эколого-биологическая характеристика района исследований 1. Характеристика состояния среды (изучение фондовых материалов, использование методов анализа физических и агрохимических показателей почв); 2. Состояние насаждений (изучение фондовых материалов, использование методики описание пробных площадей, таксации ОСТ 56-69-83; Общесоюзные нормативы…, 1992), оценка ОЖС (Алексеев, 1990); 3. Расчеты депонирования углерода и кислородопродуктивности насаждений (Ващенко и др., 1982; Рысин, Осипов, 1997). Изучение физиологического состояния и экологической роли лесообразующих пород 1. Характеристика ассимиляционной активности, пылеудерживающей способности (Кавеленова, 2006), особенностей годичного роста побега. 2.Изучение элементного состава листового опада (использование методов агрохимического анализа). ↓ ↓ ↓ ↓ ↓ ↓ Рейтинговая оценка устойчивости и функционального состояния видов древесных растений (Кавеленова, 1998) Рекомендации по организации структуры насаждений зеленой зоны Экологическая оценка насаждений (по расчетам поглощения углекислоты и показателю природного потенциала (Быков, 1974; Голубева, 2004)) Рекомендации по экологической оптимизации городской среды Рис. 1 – Схема программы исследований

Похожие:

	Директор школы Сазончикова Л. Б. 14. 06. 2010 г. Экзаменационный... Научный консультант: д б н., профессор тгпу им. Л. Н. Толстого Иванищев Виктор Васильевич		Тенденции изменения верхней границы распространения древесных видов растений на западном кавказе Целью данной работы является определение тенденций изменения верхнего предела распространения древесных видов растений в верхнегорном...
	Доклад подготовлен специалистами Управления природных ресурсов и... В докладе «Об экологической обстановке города Ижевска в 2005 году» представлена аналитическая информация, характеризующая состояние...		И охраны окружающей среды администрации города ижевска доклад об экологической обстановке Состояние водных объектов г. Ижевска, используемых в качестве источников нецентрализованного хозяйственно-питьевого водоснабжения...
	Методические рекомендации по применению древесных и кустарниковых... Повышение эффективности экологической составляющей системы транспортной инфраструктуры г. Белгорода		Научно-методические аспекты разработки и использования гис для геоэкологической... Работа выполнена на кафедре природопользования и экологического картографирования Удмуртского государственного университета
	И охраны окружающей среды администрации города ижевска доклад об экологической обстановке Администрация города/Структурные подразделения Администрации города Ижевска/Управление природных ресурсов и охраны окружающей среды...		Приказ «20» октября 2009г. №285 с. Шелаболиха о проведении методического дня педагогов района В целях совершенствования системы методической работы с педагогическими кадрами и оптимизации образовательных ресурсов школьных округов,...
	Теоретическое обоснование и практическое использование молекулярно-генетических... Работа выполнена в государственном научном учреждении – Всероссийском научно-исследовательском институте биологической защиты растений...		Моу «Шолинская основная общеобразовательная школа» Изучить приспособления древесных, травянистых форм растений к перенесению неблагоприятных условий
	Общие положения Актуальность программы ( Обоснование социального заказа программы ) Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение «Средняя общеобразовательная школа №16» города Ижевска		Анализ использования сэд на примере lotus notes гапликова Е. А Вся остальная информация (около 70%) хранится на бумаге, создавая немалые трудности при ее поиске. Эти впечатляющие цифры и данные...
	Цель исследования оценка состояния древесных насаждений Демского... Белоусов А. И., Ткачев С. Б. Дискретная математика: Учеб для вузов / Под ред. В. С. Зарубина и А. П. Крищенко. – 4-е изд. М. Изд-во...		Урока в теме Дата Тема урока Тип урока Знать: многообразие жизненных форм растений, особенности органов растений, давать характеристику общих признаков растительных организмов,...
	Лекция жизненные формы древесных растений, их общий и ежегодный (фенологический)... Международная научно – методическая конференция «Декабрьские чтения имени С. Б. Барнгольц»		Постановлением Администрации города Ижевска от 30. 11. 2011 года... Учреждение, создано в соответствии Постановлением Администрации города Ижевска от 30. 11. 2011 года №1224/1 «Об изменении типа существующих...