Візуальні зміни лісових порід за імітації чинників глобальної екологічної кризи в мікрокосмах

Размещено на http://www.allbest.ru/

Чернівецький національний університет імені Юрія Федьковича

УДК 574.084

03.00.16 - екологія

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата біологічних наук

ВІЗУАЛЬНІ ЗМІНИ ЛІСОВИХ ПОРІД ЗА ІМІТАЦІЇ ЧИННИКІВ ГЛОБАЛЬНОЇ ЕКОЛОГІЧНОЇ КРИЗИ В МІКРОКОСМАХ

Махрова Єлєна Григорівна

Чернівці - 2010

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі екології та біомоніторингу факультету біології, екології та біотехнології Чернівецького національного університету імені Юрія Федьковича Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник - доктор біологічних наук, професор Руденко Світлана Степанівна Чернівецький національний університет імені Юрія Федьковича, професор кафедри екології та біомоніторингу

Офіційні опоненти:

- доктор біологічних наук, професор Бессонова Валентина Петрівна Дніпропетровський державний аграрний університет, завідувач кафедри садово-паркового господарства

- доктор біологічних наук, старший науковий співробітник Коба Володимир Петрович Нікітський ботанічний сад - Національний науковий центр, завідувач лабораторії арборетума і паркової справи

Захист відбудеться "26" травня 2010 р. о 12 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 76.051.05 в Чернівецькому національному університеті імені Юрія Федьковича МОН України за адресою: 58012, м. Чернівці, вул. Лесі Українки, 25, ІІІ корпус, ауд. 81.

З дисертацією можна ознайомитися у науковій бібліотеці Чернівецького національного університету імені Юрія Федьковича за адресою: 58012, м. Чернівці, вул. Лесі Українки, 23.

Автореферат розісланий "24" квітня 2010 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради кандидат біологічних наук, доц. У.В. Легета

Анотації

Махрова Є.Г. Візуальні зміни лісових порід за імітації чинників глобальної екологічної кризи в мікрокосмах. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата біологічних наук за спеціальністю 03.00.16 - екологія. Чернівецький національний університет імені Юрія Федьковича, Чернівці, 2010.

У дисертації запропоновано технологічну схему застосування нових підходів до вивчення стійкості самосіву деревних порід, адаптованих до специфіки досліджень у мікрокосмних моделях, на прикладі основних лісоутворюючих порід Чернівецької області. Виявлено комплекс чутливих тест-ознак до впливу імітованих стресових чинників. Запропоновано інтегральні показники оцінки стійкості самосіву деревних порід до впливу імітованих факторів. Доведено надійність мікрокосмних моделей на основі відтворюваності результатів досліджень у експериментах різних років. Встановлено найменшу стійкість до підвищеної кислотності опадів у самосіву ялини європейської серед інших досліджених порід, а до підвищених температур 40С у самосіву бука лісового та дуба звичайного. Встановлено підвищення стійкості самосіву деяких порід у полікультурі порівняно з їх монокультурою. Доведено важливість врахування знаку інтегрального показника асиметрії листків, завдяки якому встановлено прямування асиметрії до лівосторонньої. Найбільш стійким до досліджених чинників є самосів ялиці білої, а найменш стійким - дуба звичайного.

Ключові слова: кислотний дощ, підвищені температури, мікрокосм, тест-ознаки, інтегральні показники стійкості, показники асиметрії, некротизація.

Махрова Е.Г. Визуальные изменения лесных пород при имитации факторов глобального экологического кризиса в микрокосмах. - Рукопись.

Диссертация на соискания учёной степени кандидата биологических наук по специальности 03.00.16 - экология. Черновицкий национальный университет имени Юрия Федьковича, Черновцы, 2010.

В диссертации разработана методологическая основа использования микрокосмов для прогнозирования и диагностирования визуальных изменений видов-эдификаторов лесных экосистем под влиянием повышенной кислотности осадков и повышенных температур. Предложена технологическая схема, которая включает специально разработанные методы исследования и проблемные вопросы, которые предстоит решить в процессе их использования. Технология апробирована на примере самосева таких лесообразующих пород Черновицкой области как Picea abies (L.) Karst., Abies alba Mill., Carpinus betulus L., Quercus robur L. та Fagus sylvatica L. Диссертантом разработана методика имитации кислотных дождей и повышенных температур в микрокосмных моделях. Выявлен комплекс чувствительных к этим факторам тестовых признаков. Предложены интегральные показатели для оценки стойкости сеянцев разных пород к имитированным факторам. Доказана надежность микрокосмных моделей, которая основывается на воспроизведении результатов исследований в экспериментах разных годов. Установлена меньшая стойкость самосева ели европейской к повышенной кислотности осадков по сравнению с другими породами. Показано, что сеянцы бука лесного и дуба обыкновенного уступают другим породам по стойкости к температуре 40С. Установлено повышение стойкости сеянцев некоторых пород к исследованным факторам в условиях их произрастания в поликультуре при сравнении с монокультурным произрастанием. Доказана важность учета знака интегрального показателя асимметрии листьев, благодаря которому установлено смещение асимметрии справа налево под влиянием стрессовых факторов. Более стойким к кислотным дождям и повышенным температурам оказался самосев Abies alba Mill, а наименее стойким - Quercus robur L.

Ключевые слова: кислотный дождь, повышенные температуры, микрокосм, тест-признаки, интегральные показатели стойкости, показатели асимметрии, некротизация.

Makhrova Y.G. The visual changes of forest species according to imitation of factors of global ecological crisis in microcosms. - Manuscript.

Thesis submitted for the PhD in Biological Science degree, specialty 03.00.16 - ecology. Yuriy Fedkovych Chernivtsi National University, Chernivtsi, 2010.

In the thesis the methodological basis for the use of microcosms for predicting and diagnosing the visual changes of species of forest ecosystems under the influence of increasing acidity precipitation and higher temperature was elaborated. A flow chart, includes a specially developed research's methods and issues of concern to be addressed in the course of their use. The technology was tested on the example of self-seeding of forest-forming species of Chernivtsi region such as Picea abies (L.) Karst., Abies alba Mill., Carpinus betulus L., Quercus robur L., Fagus sylvatica L. Researcher was developed a method of simulating acid rain and higher temperatures in microcosmic models. The complex of sensitive test-signs to these factors was revealed. The integral index for assessing the resistance of seedlings of different species to a simulated factors was offered. The reliability the microcosmic models, which is based on playing results of research experiments over the years, was proved. A lower resistance self-seeding of Norway spruce to increased acidity of precipitation in comparison with other breeds was established. It was shown that seedlings of beech wood and oak give way to other breeds for resistance to a temperature of 40°C. The increase of resistance of seedlings of some species to explore the factors in terms of their growth in polyculture compared to monoculture was determined. The importance of the sign of the integral index of asymmetry of leaves through which set the offset asymmetry from right to left under the influence of stress factors was proved. More resistant to acid rain and high temperatures was self-seeding Abies alba Mill, and the least resistant - Quercus robur L.

Key words: acid rain, higher temperatures, microcosm, test-signs, integrated indicator of firmness, indicator of asymmetry, formation of necrosis.

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Підвищення середньорічних температур та збільшення частоти кислотних опадів - факти беззаперечність яких уже доведена вітчизняними кліматологами. Так, за Антоновим та Рибак (2007) за останні 18 років кислотність вологих атмосферних опадів у Чернівецькій області характеризується лінійним трендом від рН=7,1 до рН=6,0. А в період з 2002 по 2006 роки була зафіксована зростаюча тенденція до різкого закислення опадів із мінімальним значенням рН=5,05 у травні 2004 року. У межах України вже зареєстровані території, де середнє значення рН атмосферних опадів за 1996-2005 рр. було меншим за 6,6 (Національний атлас України, 2007). Зазначені зміни віддзеркалюють загальносвітову тенденцію (Acid News, 2009).

Не менш загрозливим для сучасних екосистем є прогресуюче підвищення річних температур внаслідок так званого "парникового ефекту". Відхилення температури від кліматичної норми України склало в 2001 році 1,0-1,7 єС; у 2002 році - 1,5-2,1 єС, у 2003 році - 0,8 - 0,9 єС (Ткач, 2004). За даними цього ж автора, в Україні підвищення річної температури збігається з глобальним температурним ростом і становить 0,5 єС у Степу, 0,8 єС - у Лісостепу та 1,0 єС - у Поліссі.

Проте, екологи, які займаються проблемою біомоніторингу територій, до цього часу знаходяться у пошуках методів виявлення реакцій живих організмів, у тому числі і деревних порід, на дію вищезазначених чинників (Коба, 2005; Бессонова, 2008). Причина криється в тому, що у природних умовах надзвичайно важко довести причетність того чи іншого антропогенного фактора до будь-яких морфо-фізіологічних змін рослин. Тут не достатнім є метод простого спостереження. Щоб виявити та довести специфічність реакцій рослин саме на кислотний дощ, або підвищену температуру не обійтись без таких загальнонаукових методів як експеримент та моделювання. Одним із можливих напрямків дослідження впливу антропогенних чинників на деревні рослини, який поєднує обидва цих методи, є вивчення змін рослин за імітації ефектів техногенних явищ у штучних екосистемах - мікрокосмах (Руденко, 2006).

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконана згідно наукових досліджень кафедри екології та біомоніторингу Чернівецького національного університету імені Юрія Федьковича та у рамках держбюджетних тем: "Розробка мікрокосмних моделей різних типів екосистем з метою дослідження їх стійкості до глобальних екологічних змін " (номер державної реєстрації 0103U002588, 2004 - 2006 рр.); "Моделювання порушень конкурентної структури локальних екосистем" (номер державної реєстрації 01071U001245, 2007 - 2009 рр).

Мета і завдання дослідження. Метою роботи є використання мікрокосмних моделей для прогнозування стійкості лісових екосистем Чернівецької області до подальшого підвищення температури та кислотності опадів

Для досягнення мети роботи були визначені такі завдання:

1. Ідентифікувати візуальні тест-ознаки самосіву обраних деревних порід, чутливі до впливу імітованих у мікрокосмах підвищеної кислотності опадів і підвищених температур;

2. На основі сукупності визначених тест-ознак розробити інтегральні показники для оцінки загальної стійкості самосіву деревних порід, а також стійкості їх листків до досліджуваних антропогенних чинників;

3. Оцінити внесок окремих тест-ознак у розроблені показники стійкості самосіву деревних порід, а також видоспецифічність їх зміни за дії підвищеної кислотності опадів та підвищених температур;

4. Порівняти стійкість самосіву обраних деревних порід до імітованих стресових чинників за інтегральним показником асиметрії їх листків;

5. Порівняти стійкість самосіву досліджуваних деревних порід до підвищеної кислотності опадів і підвищених температур за площею некротизації їх листків;

6. Оцінити залежність стійкості обраних деревних порід до дії імітованих чинників від типу зростання (у моно- та полікультурних мікрокосмах);

7. Порівняти ефективність і ступінь збіжності застосованих у мікрокосмних моделях показників стійкості та зробити узагальнюючий прогноз щодо можливих змін лісових екосистем Чернівецької області за умов подальшого підвищення температури і кислотності опадів.

Технологічна схема досліджень подана на рис. 1.

Об'єкт дослідження - стійкість едифікаторів лісових екосистем до впливу стресових екологічних факторів.

Предмет дослідження - морфо-фізіологічні зміни самосіву лісоутворюючих порід Чернівецької області під впливом підвищеної кислотності опадів та підвищених температур.

Методи дослідження - морфо-метричний аналіз, моделювання екологічних систем, а також методи статистичного аналізу.

Наукова новизна отриманих результатів. Вперше розроблені способи імітації чинників глобальної екологічної кризи в наземних мікрокосмах, а також запропоновано ряд ефективних показників для оцінки рівня зміни живих організмів за дії цих факторів. Інновацією є також комплекс тест-ознак для визначення стійкості деревних порід до імітованих в мікрокосмах кислотних дощів та підвищених температур. Крім того, дисертанткою розроблено індекс чутливості, який інтегрує зміни усіх тест-ознак.

Вперше визначені рівні стійкості лісоутворюючих порід Чернівецької області до впливу підвищених температур і підвищеної кислотності опадів при моно- та полікультурному зростанні. Вперше встановлено невідповідність інтегральних показників асиметрії та некрозів листків, досліджуваних у мікрокосмах, нормальному розподілу та здійснено добір адекватних статистичних та математичних методик для їх оцінки та порівняння. Запропоновано і аргументовано врахування знаку асиметрії листків для чіткої ідентифікації флуктуючої або направленої асиметрії.

Практичне значення отриманих результатів. Запропоновані методики дозволяють у короткий термін часу і з мінімальними затратами коштів виявляти природні екосистеми, найбільш чутливі до чинників глобальної екологічної кризи. Лише технологія мікрокосмів дає можливість передбачити зміни, які в природних умовах змоделювати практично неможливо. Виділені дисертантом діагностичні критерії дозволяють вже зараз діагностувати чинники, які зумовлюють зміни тих чи інших лісоутворюючих порід у природі. Для виготовлення мікрокосмів використовуються PET-пляшки, утилізація яких стала в останні роки гострою проблемою для України. Отже, запропонована здобувачем технологія сприятиме продовженню терміну використання цієї вторинної сировини.

Рис. 1. Технологічна схема напрямків дослідження для монокультури самосіву деревних порід (технологічна схема для полікультури представлена так само, за виключенням перекривання кіл - умовних позначок досліджуваних деревних порід).

Особистий внесок здобувача. Автором здійснено інформаційний пошук, аналіз та оцінку наукової літератури, прийнято участь у науково-дослідних екологічних експедиціях у природні регіони: Полонинсько-Чорногірська область, Вододільно-Верховинська область, Рахівсько-Чивчинська область, область Зовнішніх Карпат, а також Прут - Дністровська височинна область, проведено відбір об'єктів дослідження. Вдосконалено моделі та методики дослідження, виконані експерименти, статистична обробка даних та їх основний аналіз. Здійснено оформлення роботи, написано основні розділи, підготовлено публікації за результатами досліджень, а також представлено їх на наукових конференціях та конгресі, й у фахових виданнях.

Апробація результатів дисертації. Головні теоретичні, методичні, експериментальні та прикладні результати досліджень апробовані на наступних міжнародних і всеукраїнських конференціях та міжнародному конгресі: "Сучасні проблеми екології", 14 - 17 березня 2007 р, Житомир; "Біосистеми різних рівнів організації в технологіях сучасного екомоніторингу", 19 - 22 вересня 2008 р, Чернівці; "Екология и безопасность в техносфере", жовтень - грудень 2008 р, Орел, Російська Федерація; "Охорона навколишнього середовища та раціональне використання природних ресурсів", 14 - 16 квітня 2009 р., Донецьк; П'ятий Московський міжнародний конгрес "Биотехнология: состояние и перспективы развития", 16 - 20 березня 2009 р., Новий Арбат, Москва, Росія; Конкурс молодих вчених в рамках П'ятого Московського міжнародного конгресу "Биотехнология: состояние и перспективы развития", 16 - 20 березня 2009 р., Новий Арбат, Москва, Російська Федерація.

Публікації. За матеріалами дисертації опубліковано 9 праць, у тому числі 5 - статті у виданнях, рекомендованих ВАК України, як фахові, 4 - тези доповідей.

Структура та обсяг дисертації. Дисертація складається із вступу, списку умовних скорочень, основної частини (6 розділів), висновків, списку використаних джерел літератури (220 найменувань, з них - 75 іноземних), 8 додатків. Робота містить 113 рисунків, 89 таблиць. Загальний обсяг роботи складає 319 сторінок (основний текст складає 136 сторінок).

Основний зміст роботи

В огляді літератури обґрунтовується нагальна проблема дослідження таких антропогенних явищ сучасності, як кислотний дощ та підвищені внаслідок парникового ефекту температури. Наводиться сучасний стан досліджень по даній проблемі не лише в межах України, але й у всесвітньому науковому просторі. Крім того, у цьому розділі розглядаються деякі методичні підходи до вивчення й оцінки впливу антропогенних чинників на організм рослин.

Матеріали та методи дослідження. Матеріалом досліджень слугував трирічний самосів основних лісоутворюючих порід Чернівецької області: Picea abies (L.) Karst. (ялина європейська), Abies alba Mill. (ялиця біла), Carpinus betulus L. (граб звичайний), Quercus robur L. (дуб звичайний) та Fagus sylvatica L. (бук лісовий). Рослини відбирали в межах природного ареалу розповсюдження зазначених видів - на території Покутсько-Буковинських Карпат та Хотинської височини.

Дослідження рівня асиметрії листків самосіву деревних порід проводили за методикою Стрельцова із співавт. (2006) на основі інтегрального показника асиметрії (ІПАл), який розраховується внаслідок усереднення даних щодо асиметрії 5 ознак, виміряних для 10 листків, зібраних з 10 дерев кожної точки моніторингу. При цьому до уваги брали морфо-метричні ознаки. Індекс асиметрії окремих ознак розраховували як відношення різниці між значенням ознаки з лівої і з правої сторони листка, взятої за модулем, до суми цих значень: |Оз_{л -} Оз_п| / (Оз_л + Оз_п).

Відсоток некротизації листків самосіву деревних порід, визначали як різницю між вагою еквіваленту цілого листка на паперовому носії та вагою цього ж еквіваленту листка без некротизованих ділянок. Зважування здійснювали на електронній вазі AXIS AD-600.

Обґрунтування та розробка методологічних основ використання мікрокосм них моделей для дослідження стійкості самосіву деревних порід. Дослідження проводили у мікрокосмах, прототипом яких є модель, запропонована Одумом (1986). Важливою складовою технології створення таких моделей була розробка способів імітації досліджуваних в них чинників: підвищених температур та підвищеної кислотності опадів. Для одержання "кислотних дощів" до дистильованої води додавали концентровані сульфатну та нітратну кислоти у кількостях, необхідних для досягнення бажаних рівнів кислотності, які контролювали за допомогою приладу рН-метр-150. Постійний рівень підвищених температур імітували, використовуючи термостати.

Ще одним аспектом мікрокосмного моделювання стало виявлення чутливих тест-ознак, за допомогою яких можна було б здійснювати візуальну оцінку стійкості деревних порід у різних варіантах. В процесі наших досліджень було виявлено 17 морфо-метричних змін, які відповідають статусу ефективних діагностичних критеріїв: 1-всихання стовбуру, 2-ураження стовбуру фітопатогенними грибами, 3-почорніння стовбуру, 4-ураження гілок фітопатогенними грибами, 5-почорніння гілок, 6- ураження бруньок фітопатогенними грибами, 7-опадання бруньок, 8-почорніння бруньок, 9-в'янення та всихання листків, 10-ураження листків фітопатогенними грибами, 11-пожовтіння листків, 12-верхівковий некроз, 13-точковий некроз, 14-крайовий некроз, 15-плямистий некроз, 16-посилена некротизація у місцях контакту гілок сусідніх дерев, 17-дефоліація.

Одним із завдань дисертаційної роботи була також розробка ефективних інтегральних показників для оцінки стійкості самосіву деревних порід. Розроблена щодо цього методика включає такі етапи. Відібраним тест-ознакам присуджували бал прояву за відсотком дерев із відповідною тест-ознакою: 1б- 0-25 %, 2б - 26-50 %, 3б -51-75 %, 4б - 76-100 %. Бали заносили до спеціальних таблиць. На основі отриманої бальної оцінки розраховували інтегральні показники стійкості самосіву деревних порід та показники стійкості листків самосіву деревних порід, які також заносили у відповідні таблиці. Розрахунок інтегральних показників проводили за розробленими нами формулами 1-4, а аналіз чутливості досліджених ознак за формулами 5-6.

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6),

де ІПС_СДП - інтегральний показник стійкості самосіву деревних порід, %; УІПС_СДП - усереднений інтегральний показник стійкості самосіву деревних порід, %; ПСЛ_СДП - показник стійкості листків самосіву деревних порід, %; УПСЛ_СДП - усереднений показник стійкості листків самосіву деревних порід, %; ПЧО_СДП - показник чутливості тест-ознак самосіву деревних порід,%; УПЧО_СДП - усереднений показник чутливості тест-ознак самосіву деревних порід, %; П_к та П_д - бали за і-тою тест-ознакою для ІПС_СДП у контролі та досліді відповідно; Л_к та Л_д - бали за і-тою тест-ознакою для ПСЛ_СДП у контролі та досліді відповідно; О_к та О_д - бали за і-тою тест-ознакою для ПЧО_СДП у контролі та досліді відповідно; n - кількість тест-ознак (n = 17); т - кількість порід (т = 5); l - кількість тест-ознак листків (l = 9); 4 - максимальний бал.

Відповідно до отриманих показників визначали рівні стійкості самосіву деревних порід до імітованого стресового чинника: низький (ІПС_СДП, ПСЛ_СДП ? 0.5), середній (0.5< ІПС_СДП, ПСЛ_СДП ? 0.75), високий (ІПС_СДП, ПСЛ_СДП > 0.75).

На відміну від досліджень певних морфо-метричних параметрів рослин у природних умовах, дослідження їх у мікрокосмах відрізняється певною специфікою. Зокрема, це стосується таких показників, як ІПАл та відсоток некротизації листків. В рамках розробки концепції мікрокосмних моделей цьому питанню була приділена окрема увага. Так, на відміну від досліджень у природних умовах, дослідження асиметрії листків в мікрокосмах охоплюють не окрему вибірку, а всю сукупність листків. Повне обстеження дозволяє одержувати вичерпну інформацію про об'єкт, який вивчається, у чому і полягає перевага цього способу перед способом вибіркового спостереження. Проте, при аналізі генеральних сукупностей листків у мікрокосмних моделях виникає необхідність перевірити, чи відповідає ймовірнісний розподіл ІПАл нормальному, як це описується різними авторами для досліджень вибірок листків в природі (Стрельцов, 2006). Адже від цього залежить, який критерій для порівняння різниці за ІПАл між дослідними та контрольними варіантами варто застосовувати: критерій Стьюдента, який найчастіше використовується для нормальних розподілів, чи один із непараметричних критеріїв, який є ефективним для розподілів, які відхиляться від гаусівського. Це ж саме питання залишається актуальним і при дослідженні відсотка некротизації листків. Відповідність ймовірностей розподілу досліджених показників нормальному оцінювали за критеріями Лілліфорса, Шапіро-Вілка та Колмагорова-Смірнова. При цьому ми керувались тим, що критерій Шапіро-Вілка є потужнішим за критерій Лілліфорса але його рекомендують використовували для вибірок обсягом n<50. Натомість критерій Лілліфорса ефективний при n>50, а критерій Колмагорова-Смірнова при n>100. Як додаткові статистичні критерії застосовували коефіцієнти асиметрії (skewness) та ексцесу (kurtosis), аналізували медіану (Ме) вибірки, середнє значення (М), моду (Мо) та квартилі розподілу. У випадку не відповідності нормальному розподілу, гіпотезу про приналежність порівнюваних сукупностей до однієї загальної сукупності перевіряли за допомогою рангового критерію Манна-Вітні при рівні значимості p<0.05. Для статистичного аналізу даних використовували програмне забезпечення Microsoft Office Excel 2007.Ink та STATISTICA 6.0.

При адаптації методики дослідження ІПАл до умов мікрокосмів ми також звернули увагу на той факт, що у основній методиці значення ІПАл береться за модулем між тим, такий підхід не дозволяє виявити характеру асиметрії, тобто, чи вона флуктуюча, чи спрямована. Тому поряд з основним підходом до оцінки даного показника ми застосували його оцінку з врахуванням знаку відносної різниці між ознаками зліва та справа. До того ж необхідно звертати увагу на час закладки відібраних для вимірювання листків (до початку впливу стресового чинника чи на тлі його дії).

Для досліджень асиметрії та некрозів листків рослин, їх фотографували цифровою технікою, створюючи електронний масив фотоматеріалів. Надалі роздруковували фото на одному кольоровому принтері з високою якістю друку на уніфікованому паперовому носії. До кожної фотографії додавали уніфіковану шкалу в 1см для масштабування (рис. 5.). Для покращення якості графічного матеріалу користувалися редакторами ACDSee Pro 3, Adobe Photoshop CS4 та CorelDRAW Х 4.

Результати дослідження та їх обговорення

самосів лісоутворюючий ялина опади

Дослідження стійкості самосіву деревних порід до впливу імітованих кислотних дощів та підвищених температур за зміною морфо-фізіологічних тест-ознак. Значення ІПС_сдп суттєво змінюється залежно від значення рН "кислотного дощу". Так, у монокультурі за імітації "кислотного дощу" з рН=3 самосів усіх досліджених порід, за винятком ялини європейської, характеризується високим значенням цього показника (більшим за 80%), а за імітації "кислотного дощу" з рН=2 значення ІПС_сдп у дуба звичайного та граба звичайного знижується у 1,9 рази, у ялини європейської - у 1,5 рази, у бука лісового - у 1,3, а у ялиці білої - у 1,06 рази. Найбільшу, і при цьому високу стійкість до імітованого "кислотного дощу" з рН=2 за ІПС_сдп виявляє самосів ялиці білої. Середній рівень стійкості за цим показником зафіксовано у самосіву бука лісового, а низький (ІПС_дп у межах від 45% до 50%) - у дуба звичайного, граба звичайного та ялини європейської. Рівень ІПС_сдп деяких із досліджених порід зазнає суттєвих змін при зростанні рослин в полікультурі порівняно з їх монокультурою (табл. 1). Так, за імітації "кислотного дощу" з рН=2 у ялини європейської в полікультурі з ялицею білою та у граба звичайного при зростанні з дубом звичайним рівень ІПС_сдп змінюється з низького на високий. Натомість ІПС_сдп та ПСЛ_сдп ялиці білої та бука лісового за дії цього ж чинника не залежать від типу зростання. За дії температури 40°С у більшості деревних порід значення ІПС_сдп збільшується у випадку полікультурного зростання порівняно з монокультурним.. Виняток становить ялиця біла при її зростанні з ялиною та дуб звичайний при його зростанні з буком. У зазначених випадках ІПС_сдп приблизно однакове при моно- та при полікультурному зростанні. Найбільше підвищення рівня ІПС_сдп та ПСЛ_сдп встановлено за дії даного стресового чинника на полікультуру бука лісового порівняно з монокультурою.

За допомогою рівнянь покрокового регресійного аналізу встановлено, що в полікультурі порівняно з монокультурою, за імітації кислотних опадів кількість значимих тест-ознак, коливання яких впливає на зміну показників ІПС_сдп збільшується, а за дії підвищених температур - зменшується (табл. 2).

Як при застосуванні показника УПЧО_сдп, так і при обрахуванні площ пелюсткових діаграм були одержані однотипні спадні ряди щодо чутливості комплексу тест-ознак до окремо взятих чинників (рис. 6). При цьому найбільшу чутливість, незалежно від типу зростання, досліджений комплекс тест-ознак виявляє до "кислотного дощу" з рН=2. Друга позиція залежить від типу зростання: у монокультурі - "підвищені температури 40С", у полікультурі - "кислотний дощ з рН=3". На останньому місці за обома групами - "підвищені температури 30С".

Таблиця 1 Рівні стійкості самосіву деревних порід до впливу імітованих факторів за ІПС_СДП

Окремим напрямком досліджень стало виявлення тест-ознак, які можуть слугувати діагнозами впливу на самосів досліджених порід тих чи інших чинників. Зокрема, встановлено, що лише бук лісовий реагує на вплив підвищених температур всиханням стовбуру. Натомість, виключно у ялини європейської за дії температури 40С спостерігається почорніння бруньок. Почорніння гілок виявилося специфічною реакцією граба звичайного на вплив "кислотного дощу" з рН=2. Ураження фітопатогенними грибами гілок мало місце тільки у ялиці білої за дії "кислотного дощу" з рН=3. Найбільшу кількість специфічних проявів у відповідь на досліджувані чинники виявляла ялина європейська: за дії "кислотного дощу" з рН=3 відмічено почорніння стовбуру, "кислотного дощу" з рН=2 - всихання стовбуру, температури 40С - почорніння бруньок, й окрім того у всіх зазначених випадках - посилена некротизація в місцях контакту гілок сусідніх дерев. У дуба звичайного з'являються специфічні реакції в полікультурі порівняно із монокультурою. Так при зростанні з буком лісовим за дії "кислотного дощу" з рН=3 у даної породи відмічено почорніння стовбуру, а при зростанні з грабом звичайним за температури 30С - в'янення та всихання листків. У бука лісового в полікультурі з дубом звичайним за температури 30С - ураження фітопатогенними грибами гілок, бруньок та листків.

Таблиця 2 Рівняння регресійних залежностей ІПС_СДП самосіву деревних порід від значення тест-ознак при моно- та полікультурному зростанні

Дослідження рівня асиметрії листків самосіву деревних порід за імітації кислотних дощів та підвищених температур у мікрокосмах. Встановлено, що розподіли ймовірностей ІПАл деревних порід за імітації впливу на них досліджених стресових чинників в умовах мікрокосмів не належать до нормальних, тому оціночну шкалу для ІПАл слід розробляти для Ме розподілу, а не для М (табл. 3). Зміна ІПАл деревних порід при монокультурному зростанні ілюструє прямування асиметрії листків до лівосторонньої у порівнянні з контролем. Для листків, закладених до впливу стресових чинників, де розрахунок ІПАл проводили з урахуванням знаку, найбільше число достовірних змін встановлено для граба звичайного, значно менша - для бука лісового. У дуба звичайного достовірних змін за ІПАл порівняно з контролем взагалі виявлено не було. Загалом серед листяних порід лише у бука лісового виявлена достовірна зміна ІПАл листків, закладених на тлі впливу підвищеної температури 40°С й лише при розрахунку відповідного показника з урахуванням знаку. За умов полікультурного зростання для листків, закладених до початку впливу факторів при врахуванні знаку ІПАл достовірні відмінності від контролю, встановлені при монокультурному зростанні, зникають. Однак, при розрахунку цього ж показника за модулем, виявлена зворотна тенденція: випадків достовірних відмінностей від контролю в 3 рази більше в полікультурі, ніж в монокультурі

Дослідження відсотка некротизації листків самосіву деревних порід за імітації досліджених чинників у мікрокосмах. Встановлено, що розподіли ймовірностей відсотка некротизації листків самосіву деревних порід не належать до нормальних, тому їх статистичний аналіз повинен здійснюватись подібно до ІПАл (табл. 4).

Таблиця 3 Ступінь прояву значимих за критерієм Манна - Вітні (p < 0.05) відмінностей у розподілі ІПА_л самосіву деревних порід (за Ме)

Таблиця 4 Ступінь прояву значимих за критерієм Манна - Вітні (p < 0.05) відмінностей у розподілі показника відсотку некротизації листків самосіву деревних порід за дії імітованих стресових чинників (за Ме)

У монокультурі некротизація листків в більшій мірі виявлена у листяних порід, ніж у хвойних. Так, у випадку впливу імітованих стресових чинників на листки, закладені до початку їх впливу, найбільше значення медіани розподілу ймовірностей відсотка некротизації листків за дії імітованого "кислотного дощу" з рН = 2 виявлено у граба звичайного, за дії підвищених температур, 30°C - у дуба звичайного, за дії підвищених температур 40°C - у бука лісового. Лише за дії імітованого "кислотного дощу" з рН = 3 найбільше значення медіани зареєстроване у ялини європейської. У листяних порід у монокультурі достовірна відмінність від контролю відсотка некротизації листків, закладених на тлі дії стресових чинників, зареєстрована лише для варіанта "підвищені температури, 40°C ". Найбільше значення медіани при цьому виявлено у дуба звичайного. Листопадні породи характеризувались більшим відсотком некротизації листків порівняно з хвойними і у полікультурі. Так, у випадку впливу імітованих чинників на листки, закладені до початку їх дії, найбільше значення медіани ймовірності розподілу відсотка некротизації листків виявлено: за імітації "кислотного дощу" з рН= 3 та підвищених температур, 30°C - у граба звичайного при зростанні з буком лісовим; за імітації кислотного дощу з рН = 2 - у бука лісового при зростанні з дубом звичайним; за імітації підвищених температур, 40°C - у дуба звичайного при зростанні з буком лісовим. Відсоток некротизації листків збільшується у бука лісового при його зростанні з дубом звичайним за імітації "кислотного дощу" з рН= 2 порівняно з монокультурою останнього. Некротизація зникає у дуба звичайного за імітації підвищених температур, 30°C при полікультурному зростанні з іншими породами порівняно з монокультурним та з'являється за імітації підвищених температур, 40°С при полікультурному зростанні з буком лісовим. Достовірне підвищення відсотка некротизації листків, закладених на тлі дії досліджених чинників, порівняно з контролем виявлено у граба звичайного у полікультурі з буком лісовим за імітації "кислотного дощу" з рН = 3 та у дуба звичайного у полікультурі з грабом звичайним за імітації "кислотного дощу" з рН = 2. При цьому найбільше значення встановлено у відповідному дослідному варіанті у дуба звичайного у полікультурі з грабом звичайним. При полікультурному зростанні граба звичайного з буком лісовим з'являється некротизація листків порівняно з монокультурним зростанням останнього.

Висновки

У дисертації наведено теоретичне обґрунтування та розроблена методологічна основа використання виявлених в мікрокосмних моделях візуальних (морфо-фізіологічних) змін для прогнозування та діагностування стійкості видів-едифікаторів лісових екосистем до кислотних дощів і підвищених температур.

1. Доведено надійність мікрокосмних моделей для дослідження стійкості деревних порід до стресових факторів, яка ґрунтується на відтворюваності результатів досліджень в мікрокосмах у експериментах різних років.

2. Виявлено 17 чутливих тест-ознак самосіву деревних порід, які можуть бути рекомендовані для прогнозування його стійкості до підвищених температур і кислотності опадів у мікрокосмах та для діагностування прояву цих чинників у природних екосистемах.

3. На основі розроблених інтегрального показника стійкості самосіву деревних порід (ІПС_сдп) і показника стійкості листків самосіву деревних порід (ПСЛ_сдп) доведено меншу стійкість самосіву Picea abies (L.) Karst. до підвищеної кислотності опадів порівняно з іншими деревними породами. Показано, що самосів Fagus sylvatica L. та Quercus robur L. поступається іншим породам за стійкістю до температури 40С.

4. Встановлено підвищення стійкості самосіву деяких порід до досліджених чинників за ІПС_сдп за умов зростання їх в полікультурі порівняно з монокультурою: до "кислотного дощу" з рН=2 - самосіву Picea abies (L.) Karst. при її зростанні в полікультурі з Abies alba Mill. та Carpinus betulus L. при його зростанні в полікультурі з Quercus robur L.; до температури 40°С - Fagus sylvatica L. при його зростанні в полікультурі з будь-якими іншими породами.

5. Серед досліджених ознак найбільш чутливими до підвищеної кислотності опадів та температури виявилися тест-ознаки листків. При цьому пожовтіння, верхівковий та точковий некрози - найбільш універсальні неспецифічні реакції листків на вплив зазначених чинників. Встановлено, що інтенсивне в'янення та всихання листків, а також високий рівень ураження стовбурів, гілок, бруньок та листків самосівудеревних порід фітопатогенними грибами є ознакою впливу на нього "кислотного дощу" з рН=2. При цьому максимальний рівень ураження зареєстрований за цих умов у монокультурі Quercus robur L.

6. Виявлено ряд видоспецифічних візуальних змін самосіву на вплив імітованих антропогенних чинників: почорніння гілок - у Carpinus betulus L. за дії імітованого "кислотного дощу" з рН= 2; почорніння стовбурів Picea abies (L.) Karst. за дії імітованого "кислотного дощу" з рН=3, всихання стовбурів у Fagus sylvatica L. при підвищених температурах; підвищена некротизація листків у Picea abies (L.) Karst. у місцях контакту гілок сусідніх дерев за дії як підвищених температур, так і підвищеної кислотності опадів.

7. Вперше доведено важливість врахування знаку відносної різниці між ознаками зліва та справа при розрахунку інтегрального індексу асиметрії листків (ІПА_л) деревних порід. При цьому показано, у варіантах, де виявлена достовірна відмінність цього показника в досліді відносно контролю правостороння асиметрія змінюється на лівосторонню. Застосування такого способу розрахунку ІПА_л, дозволило також спростувати положення про посилення асиметрії з наростанням екстремальності чинника, оскільки було встановлено, що рейтинг за інтегральним показником асиметрії виявляється зворотнім до рейтингу за інтегральним показником стійкості самосіву деревних порід.

8. Некротизація листків зареєстрована в самосіву всіх досліджених порід за дії хоча б одного з імітованих чинників і відсутня в монокультурі контрольних варіантів. У листяних порід при полікультурному зростанні некротизація листків виявляється навіть в контролі, натомість у хвойних порід вона за цих умов відсутня. Максимальний рівень некротизації листків (40-50%) виявлений у полікультурі Fagus sylvatica L. з Quercus robur L. за дії високих значень досліджених факторів. Натомість у хвойних порід при полікультурному зростанні процес некротизації листків під впливом стресових факторів послаблюється або повністю усувається порівняно з монокультурним зростанням.

9. За сукупністю досліджуваних показників найбільшою стійкістю до кислотних опадів та підвищеної температури характеризується самосів Abies alba Mill., найнижчий рівень стійкості до досліджених чинників має Quercus robur L., а дві інших породи міняються позиціями залежно від природи стресового чинника.

Список праць, опублікованих за темою дисертації

1. Махрова Є. Г. Динаміка морфо-фізіологічних змін деревних порід за імітації "кислотного дощу" у мікрокосмах / Є. Г. Махрова, С. С Руденко // Питання біоіндикації та екології. - 2007. - Вип.12, №2. - С. 39 - 44.

2. Махрова Є. Г. Прогнозування стану основних деревних порід Буковини за умов підвищення температури методом імітації у мікрокосмних моделях / Є. Г. Махрова, С.С. Руденко // Вісник проблем біології і медицини - 2008. - № 4. - С. 24 - 29

3. Руденко С.С. Особливості дослідження флуктуючої асиметрії листків деревних порід за імітації техногенних чинників у мікрокосмах (на прикладі Quercus robur L.) / С.С. Руденко, Є. Г. Махрова // Науковий журнал Біологічні системи - 2009. - Т.1., Вип.1. - С.27 - 34.

4. Махрова Є. Г. Визначення рядів чутливості основних деревних порід Буковини до підвищеної кислотності атмосферних опадів / Є. Г. Махрова // Науковий вісник Чернівецького університету: Зб наук. праць. - 2008. - Вип.416: Біологія - С.276 - 280.

5. Махрова Є. Г. Флуктуюча асиметрія як показник стійкості деревних порід до стресових екологічних чинників, імітованих у мікрокосмах / Є. Г. Махрова, С.С. Руденко // Наукові записки Тернопільського національного педагогічного університету ім. В. Гнатюка. Серія: Біологія. - 2009. - № 3 (40). - С.72 - 79

6. Махрова Е.Г. Микрокосм - как биотест-система для исследования влияния антропогенных факторов на биологические комплексы / Е.Г. Махрова, С.С. Руденко // Материалы Пятого Московского международного конгресса ["Биотехнология: состояние и перспективы развития"], (Москва, 16 - 20 марта 2009 г.) // РХТУ им. Д.И. Менделеева. - М.: ЗАО "Экспо-биохим-технологии", 2009. - С. 416 - 417.

7. Махрова Є. Г. Дослідження внеску тест-ознак в індивідуальний показник чутливості деревних порід до дії складників глобальної екологічної кризи / Є. Г. Махрова, С.С. Руденко // Тези IV міжнародної конференції студентів, магістрів та аспірантів ["Сучасні проблеми екології"], (Житомир, 14 - 17 березня 2007 р.) // Житомирський державний технологічний ун-т.- Житомир: ЖДТУ, 2007. - С. 77 - 79.

8. Махрова Є. Г. Дослідження впливу кислотних дощів на основні лісоутворюючі породи листяних лісів Буковини за допомогою мікрокосмів / Є. Г. Махрова // Матеріали VIII Міжнародної наукової конференції аспірантів та студентів ["Охорона навколишнього середовища та раціональне використання природних ресурсів"], (Донецьк, 14 - 16 квітня 2009р.) // Збірка доповідей.- 2009. - Т.1. - С. 223 - 224.