На правах рукописи
Мандра Юлия Александровна
РАСТЕНИЯ КАК ИНДИКАТОРЫ
ЭКОЛОГИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ
СРЕДЫ КУРОРТНОГО РЕГИОНА
(НА ПРИМЕРЕ ГОРОДА КИСЛОВОДСКА)
03.02.08 – Экология
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук
Москва – 2010
Работа выполнена в ФГОУ ВПО «Ставропольский государственный аграрный университет»
Научный руководитель: кандидат биологических наук, доцент Глазунова Наталья Николаевна
Официальные оппоненты: доктор биологических наук, профессор Смуров Андрей Валерьевич кандидат географических наук Шартова Наталья Витальевна
Ведущая организация: ГУ «Ставропольский краевой центр по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды»
Защита диссертации состоится «19» ноября 2010 г. в 1400 часов на заседании диссертационного совета Д 501.001.55 при Московском государственном университете им. М. В. Ломоносова по адресу:
119991, г. Москва, Ленинские Горы, д. 1., кор. 12, МГУ им. Ломоносова, Биологический факультет, ауд. 389.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Биологического факультета МГУ.
Автореферат разослан «19» октября 2010 г.
Ученый секретарь диссертационного совета кандидат биологических наук Н. В. Карташева
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. Говоря о развитии курортно-рекреационных зон, необходимо отметить, что залогом их устойчивого развития является рациональное природопользование, основанное на достоверной информации о состоянии окружающей природной среды. Таким образом, наблюдается взаимозависимость развития курортной деятельности и экологических условий рекреационных ландшафтов (Тарасова, 2004; Михайленко, 2005; Purandare, 2009).
Для разработки политики рационального использования курортнорекреационного региона, а также определения экологической емкости территории необходима оценка качества окружающей среды, ее благоприятности для человека. Следует отметить, что вопрос оценки эффективности управления охраной окружающей среды и формирования системы природоохранных мероприятий не может быть объективно решен лишь на уровне рассмотрения формальных показателей, он требует проведения специальной разносторонней оценки состояния территории (Соколов и др., 1983; Захаров и др., 2000; Неверова, 2004;
Пчелинцева, 2004 и др.).
В современных условиях в связи с постоянно растущими темпами антропогенного влияния на природные комплексы требуется «совершенствование системы показателей, создание методологии экологического мониторинга, включая комплексную оценку состояния окружающей среды» (Экологическая доктрина..., 2002). Кроме того, на необходимость создания Единой региональной государственной системы комплексного экологического мониторинга (РГСКЭМ) указывает и Стратегия социально-экономического развития особо охраняемого эколого-курортного региона РФ – Кавказских Минеральных Вод до 2020 года (2006).
Город Кисловодск входит в состав Кавказских Минеральных Вод.
В связи с этим представляются актуальными работы по проведению экологической оценки состояния данного курорта.
Следует отметить, что существующая в Кисловодске система контроля за состоянием окружающей среды относится к категории санитарногигиенического мониторинга. Однако необходимо учитывать тот факт, что на территории города выделяются различные типы антропогенного воздействия: рекреационный, селитебный, транспортный, водохозяйственный, сельскохозяйственный, лесотехнический, промышленный.
В этой связи для планирования развития курорта применение исключительно традиционных методов анализа становится неэффективным, поскольку физико-химические методы указывают лишь на содержание определенных загрязнителей в среде и не могут дать прямого ответа на вопрос о качестве среды и ее пригодности для обитания живых организмов, в том числе и человека.
По мнению многих ученых (Стрельцов, Константинов, 1999; Захаров, 2000; Федорова, 2002; Мануйлов, 2004 и др.), ключевым компонентом в решении данного вопроса является использование методов биологического мониторинга, позволяющих получить интегральную оценку последствий воздействия комплекса всех внешних факторов на представителей живой природы. Одним из направлений биомониторинга является фитоиндикация, представляющая собой обнаружение и определение экологически значимых нагрузок на основе реакций растительных организмов, произрастающих в данной среде.
Цель исследования – апробация использования растительных организмов для биологически значимой оценки состояния окружающей среды г. Кисловодска и обоснование использования полученных данных при планировании развития курорта.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
1. Систематизация и анализ проблем оценки состояния окружающей среды курортного региона.
2. Исследование экологического состояния территории г. Кисловодска с помощью растений-фитоиндикаторов.
3. Экологическое зонирование территории города-курорта и картографическое отображение полученных результатов.
4. Сравнение результатов проведенной фитоиндикации с данными физико-химического контроля и функциональным зонированием территории г. Кисловодска.
5. Определение методически обоснованного сочетания фитоиндикационных подходов в системе экологического мониторинга Научная новизна работы заключается в следующем:
1. Разработан методический комплекс по оценке состояния окружающей среды курортно-рекреационных территорий с использованием растительных организмов.
2. Впервые в Кисловодске проведена комплексная фитоиндикационная оценка состояния окружающей среды.
3. На основе данных фитоиндикации выполнено экологическое зонирование территории города-курорта, позволяющее оценить общий уровень антропогенной нагрузки.
Теоретическая значимость работы. Научно обоснованные данные представляют интерес с точки зрения методов комплексного мониторинга курортно-рекреационных зон ввиду открытости и актуальности данного вопроса на современном этапе развития науки. Полученные данные в значительной степени дополняют и расширяют сведения об использовании растений в качестве фитоиндикаторов особо охраняемых природных территорий в целом и курортных регионов в частности. Результаты исследований могут быть использованы в учебном процессе на специальностях «Природопользование», «Геоэкология», «Биоэкология», а также при написании научных трудов в области экологического мониторинга и оценки качества окружающей среды.
Практическая значимость работы. Разработанный методический комплекс по оценке состояния окружающей среды с использованием растительных организмов может быть применен для диагностики экологических изменений как в Кисловодске, так и на других территориях особо охраняемого эколого-курортного региона Кавказских Минеральных Вод.
Личное участие автора. Автором самостоятельно поставлены цель и задачи исследования, разработаны основные положения программы и методики работ, собран, обработан и проанализирован экспериментальный материал.
Апробация работы. Материалы диссертационной работы доложены и обсуждены на научно-практических конференциях ФГОУ ВПО «Ставропольский государственный аграрный университет» (2007– 2010 г.); III Международной научно-практической конференции «Проблемы экологической безопасности и сохранение природно-ресурсного потенциала» (Ставрополь, 2006); Всероссийской научно-практической конференции «Наука в современных условиях: от идеи до внедрения»
(Димитровоград, 2007); Международной научно-практической конференции «Интегрированная защита сельскохозяйственных культур и фитосанитарный мониторинг в современном земледелии» (Ставрополь, 2007); Региональной конференции «Молодежная аграрная наука:
состояние, проблемы и перспективы развития» (Ставрополь, 2007);
Международной научно-практической конференции «Инновации аграрной науки и производства: состояние, проблемы и пути решения»
(Ставрополь, 2008); V Российской научно-практической конференции «Физико-технические проблемы создания новых экологически чистых технологий в АПК» (Ставрополь, 2009); Международной научнопрактической конференции «Рациональное использование природных ресурсов и экологическое состояние в современной Европе» (Ставрополь, 2009); I Всероссийской конференции «Научный потенциал молодежи для устойчивого развития современного мира» (Москва, 2010);
Всероссийской научной конференции «Актуальные проблемы современной науки и образования» (Сибай, 2010); Всероссийской научной конференции «Проблемы непрерывного экологического образования»
(Екатеринбург, 2010); Международной научно-практической конференции «Ломоносов–2010» (Москва, 2010).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 19 работ, в том числе 2 статьи в журналах из перечня, рекомендованного ВАК Министерства образования и науки РФ.
Внедрение. Полученные данные приняты к внедрению для совершенствования мероприятий по экологическому мониторингу, проводимому ГУ «Ставропольский краевой центр по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды» на территории городакурорта Кисловодск. Кроме того, результаты настоящей работы включены в учебно-научный процесс (используются на лекционных и лабораторно-практических занятиях по курсам «Экология», «Экологический мониторинг», «Контроль качества окружающей среды») ФГОУ ВПО «Ставропольский государственный аграрный университет».
Основные положения, выносимые на защиту.
1. В целях фитоиндикационной оценки состояния окружающей среды города Кисловодска необходимо использовать растения различных таксонов (лихенофлора, сосна обыкновенная (Pinus sylvestris L.) береза повислая (Betula pendula Roth.), клевер ползучий (Trifolium repens L.).
2. Экологическое зонирование территории города-курорта является основой для принятия природоохранных решений, разработки политики развития курорта.
Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, выводов и предложений, списка литературы, который включает 261 источник, в том числе 30 иностранных авторов. Диссертация изложена на 148 страницах компьютерного текста, иллюстрирована 15 таблицами и 35 рисунками. В дополнение к основной работе оформлено 2 приложения.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
В первой главе автором изложено состояние исследуемого вопроса по результатам анализа отечественной и зарубежной литературы и определено направление исследований. Кроме того, дана общая характеристика города-курорта Кисловодск.
Во второй главе отражены объект и методика исследований.
В целях диссертационной работы в период с 2007 по 2009 гг. на пробных площадках города-курорта Кисловодск проводились фитоиндикационные наблюдения. Площадки (50х50 м) выбирались по принципу равномерно-рассыпанного расположения (Тикунов, 1997; Стрельцов, 2005). При таком их расположении охватываются все основные типы природно-ландшафтных комплексов города-курорта. Это позволяет дать оценку состояния окружающей среды всей территории города, что имеет особую ценность при планировании природоохранных мероприятий.
За контроль была принята площадка № 30. Выбор обоснован тем, что она расположена на водоразделе, а учение о геохимических ландшафтах относит такие ландшафты к категории автономных (Алексеенко, 2000). В соответствии с указанным учением на экосистемы таких участков оказывается минимальное антропогенное воздействие.
Для удобства интерпретации полученных результатов использовалась информация по функциональным зонам города (Правила землепользования.., 2007). Соответственно: а) промышленную зону характеризуют 6 площадок; б) зону общественного городского центра – 5;
в) зону курортного назначения – 6; г) жилую зону – 13.
В пределах каждой пробной площадки проводились исследования с использованием следующих методик: 1) лихеноиндикация (Трасс, 1987;
Пчелкин, 2004); 2) оценка состояния среды по комплексу признаков у сосны обыкновенной Pinus sylvestris L. (Денисова, 1999); 3) оценка флуктуирующей асимметрии (ФА) листовых пластинок березы повислой Betula pendula Roth. (Захаров, 2000); 4) индикация состояния среды по частотам встречаемости фенов клевера ползучего Trifolium repens L.
(Экологический мониторинг.., 2005).
Экологическое зонирование территории города-курорта проводилось на основе анализа полученных за 2007–2009 гг. результатов (индекс полеотолерантности (IP); комплекс морфометрических показателей и показателей характера повреждения и усыхания хвои; коэффициент ФА; индекс соотношения фенов (ИСФ)). Выделялись: условно чистая, переходная и условно загрязненная зоны. Понятие «условно»
применяется автором в связи с тем, что используемые методы фитоиндикации не дают информации о концентрации загрязнителей в природных объектах, это прерогатива физико-химических методов мониторинга. Выявленные же изменения в развитии фитоорганизмов свидетельствуют о воздействии на биосистемы всего многообразия внешних стрессоров. Поэтому степень загрязнения среды может оцениваться как «условная».
Все данные, полученные в ходе полевых и лабораторных исследований, обрабатывались с применением современных методов статистического, корреляционного, дисперсного, кластерного анализа. Обработка данных велась в программах Statistica v. 7 и Biostat (Primer of biostatistics) v. 4.03.
В третьей главе приведены результаты фитоиндикационной оценки состояния окружающей среды города-курорта Кисловодск.
В ходе лихеноиндикационной оценки автором выявлено 30 видов лишайников (22 – эпифиты, 5 – эпилиты, 3 – напочвенные), из них 43 % – лишайники листоватой формы, 30 % – накипной и 27 % – кустистой. Сравнение видового состава лихеносинузий для пробных площадок проводилось с использованием коэффициента Жаккара (KJ). Минимальное сходство (KJ = 0,19) обнаружено между площадками № (расположена в пределах промышленной зоны) и № 26 (жилая зона), а максимальное (KJ = 0,77) – между № 9 и № 15 (участки жилой зоны).
Был проведен кластерный анализ полученных данных (рис. 1).
Номер площадки На основании полученной информации выделено три основных кластера: к первому относятся участки, для которых расстояние связи (Linkage distance) не превышает 0,80; ко второму – 0,87, к третьему – 0,95. Кроме того, один и тот же кластер объединил площадки, расположенные в пределах разных функциональных зон г. Кисловодска (курортной, промышленной, жилой, зоны общественного городского центра). Таким образом, основываясь лишь на анализе видового состава лихенофлоры, провести оценку состояния окружающей среды не представляется возможным.
Для получения уточненных данных по состоянию окружающей среды на деревьях Betula pendula Roth. в течение трех лет проводилась лихенометрическая съемка (Пчелкин, Слепов, 2004); вычислялся индекс полеотолерантности (Трасс, 1985, 1987), который позволяет перевести данные из описательной формы на математическую основу (Лиштва, 2007). Всего было обследовано 150 деревьев (по 5 шт. на каждой площадке).
Рис. 2. Значения индекса полеотолерантности (IP) Было установлено, что значение IP на площадках колеблется от 3, (площадка № 30 – контроль) до 5,35 (площадка № 20 – ж/д вокзал) (рис. 2). Коэффициент вариации IP составляет 18,03 %, что указывает на экологическую неоднородность среды. В свою очередь, это является основанием для зонирования территории города-курорта по данному признаку.
Вторая методика, применяемая автором, – оценка состояния среды по комплексу признаков у сосны обыкновенной (Pinus sylvestris L.).
На территории Кисловодска обследовано 150 деревьев (по 5 шт. на каждой площадке).
Был рассчитан индекс продолжительности жизни хвои (Q), позволяющий получить относительную оценку благополучия среды.
По данному критерию к участкам с минимальным уровнем загрязнения атмосферного воздуха относятся: № 30 – контроль (Q = 10,2);
№ 28 – район санатория «Эльбрус» (Q = 9,6); № 16 – квартал жилой зоны (Q = 9,2). Минимальные показатели индекса продолжительности жизни хвои Pinus sylvestris L. (3,8 < Q < 4,6) приходятся на территорию промышленной зоны (площадки № 3 и № 4) и зоны общественного городского центра (площадка № 20).
Согласно методике с каждой площадки ежегодно отбиралось по 1250 пар хвоинок. Морфометрические исследования хвои Pinus sylvestris L. показали, что на участках, приближенных к автодорогам, рынкам, предприятиям (№ 3, 6, 11, 13, 17, 20), отмечается утолщение и укорачивание хвоинок. Коэффициент вариации по данным признакам составил: длина – 3,62 %, ширина – 15,5 %. Кроме того, было установлено, что на указанных участках число хвоинок на 10 см побега прошлого года достигает 220 – 226 шт. В то время как в контроле (№ 30) этот показатель составляет 197 шт. Это обусловлено тем, что в загрязненной зоне замедляется рост побега Pinus sylvestris L., в результате чего пучки хвоинок более сближены (Федорова, Никольская, 2001).
В ходе исследований было определено, что абсолютно сухие хвоинки (1000 шт.), собранные с площадок, испытывающих на себе повышенную антропогенную нагрузку (№ 2–4, 6, 17), имеют меньший вес (10,6–11,2 г ) по сравнению с хвоей курортной зоны города (вес хвои с площадки № 30 составляет 12 г). Коэффициент вариации данного признака (3,69 %) говорит о слабой степени его изменчивости.
Для выявления зависимости между изученными морфометрическими признаками хвои был проведен корреляционный анализ (табл.1).
морфометрических признаков Pinus sylvestris L.
Из данных табл. 1 видно, что между указанными признаками Pinus sylvestris L. существует очень сильная корреляция. Наличие таких связей позволяет судить о том, что аномальные признаки отсутствуют и сосны города развиваются в соответствии со своими биологическими особенностями.
Помимо морфометрических параметров хвои информативным признаком уровня загрязнения экосистемы является характер повреждений и усыхания хвои (Лесные экосистемы..., 1990; Борисова, 2009). Результаты исследований (рис. 3) показали, что на всех пробных площадках присутствует хвоя второго класса повреждения (КП 2), что говорит об умеренной антропогенной нагрузке. Кроме того, хвоя третьего класса (КП 3), максимально пораженная пятнами, отмечена на большинстве площадок, за исключением площадок № 9, 10, 13, 14, 23–30).
Кол-во хвоинок, шт.
Рис. 3. Количество хвои различных классов повреждения (КП):
Согласно используемой методике по степени усыхания выделяются хвоинки четырех классов. Результаты исследований (рис. 4) показали, что хвоя максимального класса усыхания (КУ 4) встречается на площадках № 3, 4, 6 (промышленная зона), № 12, 15, 17–22 (территория города, где наблюдается высокая степень загрязнения окружающей среды вследствие выбросов автотранспорта). Пробные площадки, расположенные в пределах курортной зоны, вероятно, характеризуются минимальным загрязнением атмосферного воздуха, так как здесь встречаются хвоинки 2-го года жизни только с усохшими кончиками (КУ 2).
Кол-во хвоинок, шт.
Следующая методика, апробированная автором на территории города-курорта Кисловодск, – оценка флуктуирующей асимметрии листовых пластинок березы повислой (Betula pendula Roth.). Выбор данной методики обусловлен тем, что ФА выступает в качестве меры стабильности развития организма и характеризует способность организма к формированию фенотипа при минимальном уровне онтогенетических нарушений, который в свою очередь является показателем степени соответствия условий среды требованиям организма (Захаров и др., 2000; Leung and other, 2000; Стрельцов, 2005).
Для получения данных по ФА на листовой пластинке Betula pendula Roth. снимались показатели по 5 основным промерам: 1) ширина половинки листа (мм); 2) длина второй от основания листа жилки второго порядка (мм); 3) расстояние между основаниями первой и второй жилок второго порядка (мм); 4) расстояние между концами этих же жилок (мм); 5) угол между главной жилкой и второй от основания жилкой второго порядка (градус). В качестве дополнительного признака была выбрана площадь (мм2) правой и левой сторон листовой пластинки Betula pendula Roth. Всего за период 2007–2009 гг. на каждой пробной площадке отобрано 750 шт. березовых листьев, снято 4500 промеров.
Расчет коэффициентов ФА показал, что его минимальное значение (0,027) наблюдается на площадках № 22 (район памятника Г. К. Орджоникидзе) и № 30 (контроль) (рис. 5). Наиболее подвержены влиянию комплекса негативных факторов участки, прилегающие к автодорогам, железнодорожным путям (№ 1, 3, 4, 11, 14, 19, 20), где показатели ФА максимальны (0,040–0,045).
Индикация фенов клевера ползучего (Trifolium repens L.) осуществлялась путем визуального подсчета количества встречающихся экземпляров растения с различной формой «седого рисунка» и без него (Экологический мониторинг… 2005). Всего за 2007–2009 гг. с каждой пробной площадки было отобрано по 600 образцов клевера ползучего.
Для получения количественной оценки состояния окружающей среды на изучаемых площадках был рассчитан индекс соотношения фенов Trifolium repens L. Результаты расчетов представлены на рис. 6. Значение коэффициента вариации ИСФ составляет 14,3 %, что подтверждает результаты других проведенных оценок и указывает на экологическую неоднородность среды.
«