Влияние загрязнения воздушного бассейна города Тюмени на морфометрические показатели рябины обыкновенной

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Введение

Глава 1. Атмосферный воздух и устойчивость рябины обыкновенной

1.1 Атмосферный воздух и действие загрязняющих веществ на растения

1.2 Характеристика приоритетных загрязнителей воздуха и их отрицательного воздействия на древесные растения

1.3 Устойчивость рябины обыкновенной

Глава 2. Практическое исследование влияния загрязнения воздушного бассейна города Тюмени на морфометрические показатели рябины обыкновенной

2.1 Объект и методы исследования

2.2 Результаты исследования и обсуждение результатов

Заключение

Список использованной литературы

Введение

В настоящее время исследования городской среды и связанные с ними теоретические и прикладные экологические проблемы необычайно актуальны, так как города становятся основной средой обитания человека. В последние десятилетия наблюдается интенсивное насыщение атмосферы городов газообразными и пылевидными отходами транспортных средств и промышленных предприятий. Они вызывают ухудшение условий существования человека и других организмов, создавая угрозу здоровью населения, нарушению климата в локальных и глобальных масштабах. В связи с этим остро ощущается потребность в научно-обоснованных и рациональных мероприятиях по предотвращению загрязнения атмосферы и сохранению нормальных условий жизни, труда и отдыха людей и биосферы в целом.

Среди компонентов живого вещества биосферы наиболее существенным фактором нейтрализации газообразных токсикантов является растительность и особенно древесно-кустарниковые насаждения и естественные лесные массивы. Поэтому одним из перспективных подходов для биологической характеристики воздушной среды является оценка состояния древесных растений по степени их газоустойчивости к промышленным выбросам.

Выполняя санитарно-гигиенические, архитектурные, хозяйственно-экономические и другие функции, зеленые насаждения несут огромную нагрузку. Возможности их многогранны, но это совсем не значит, что они беспредельны. Растения отрицательно реагируют на наличие в воздухе даже в малых дозах токсических веществ. Они гораздо сильнее реагируют на те концентрации вредных веществ, которые у людей и животных не оставляют видимых явлений отравлений. Таким образом, они выполняют индикаторную функцию.

В зонах повышенной загазованности, запыленности и перегрева атмосферного воздуха выявлена повсеместная повреждаемость растений. Установлено, что велика повреждаемость растений дымом со значительной концентрацией двуокиси серы, окиси азота и углерода, сероводорода, аммиака и других. Многие из этих соединений, растворяясь в воде, образуют вредные для растений кислоты. Растения в условиях урбанизированной (техногенной) среды, сохраняя внешне неизменный вид, претерпевают значительные изменения биохимического состава и физиологических процессов. Промышленные газы и аэрозоли могут оказывать на растения комплексное и индивидуальное воздействие. Но нередко эффект повреждения вызывается одним, преобладающим в среде, соединением.

Для оценки и прогноза состояния древостоя необходима ранняя диагностика нарушения жизнедеятельности древесных растений, подвергнутых воздействию газовых токсикантов. В первую очередь повреждения проявляются на физиолого-биохимическом уровне, затем распространяются на ультраструктурный и клеточный уровни и лишь после этого развиваются видимые признаки повреждения - хлорозы и некрозы тканей листа, опадание листьев, торможение роста.

Целью данной работы является оценка влияния загрязнения воздушного бассейна города Тюмени на морфометрические показатели рябины обыкновенной (Sorbus aucuparia L.).

Для реализации данной цели были поставлены следующие задачи:

1. Изучить атмосферный воздух и действие загрязняющих веществ на растения.

2. Выявить характеристику приоритетных загрязнителей воздуха и их отрицательного воздействия на древесные растения.

3. Раскрыть устойчивость рябины обыкновенной.

4. Оценить с помощью практического исследования влияние загрязнения воздушного бассейна города Тюмени на морфометрические показатели рябины обыкновенной.

Глава 1. Атмосферный воздух и устойчивость рябины обыкновенной

1.1 Атмосферный воздух и действие загрязняющих веществ на растения

Воздушная оболочка Земли выполняет многочисленные функции. Она служит средой обитания и источником необходимых веществ для организмов, обеспечивает и регулирует круговорот веществ и энергии в местных и планетарных масштабах, между землей и космическим пространством. В последнее время атмосферные газы интенсивно используются в практической деятельности человека. Одновременно воздушный бассейн служит средой, в которую выбрасываются отходы разнообразных производств и транспортных средств.

Атмосфера выполняет важную защитную функцию, предохраняя организмы и земную поверхность от губительного воздействия космических факторов, чрезмерного нагревания и выхолаживания. Особая роль в поглощении и задержке коротких ультрафиолетовых лучей принадлежит озоновому слою.

В нормальных условиях в атмосфере содержится огромное число компонентов - как газообразных, так и в виде аэрозолей. Воздушный бассейн, особенно вблизи земной поверхности, постоянно насыщается большим или меньшим количеством неорганических и органических газов, паров и твердых частиц. Они образуются при распаде органических веществ, прижизненном выделении организмами, геологических и геохимических процессах в литосфере. Минерализация органических веществ сопровождается поступлением в атмосферу значительного количества аммиака, метана, сероводорода и других газов. Периодически большое количество различных газов и паров поступает в атмосферу из действующих вулканов, гейзеров, геотермальных и других подземных источников, при лесных степных пожарах [6, C.45].

Концентрация насыщающих атмосферу различных примесей в результате действия природных факторов в большинстве случаев невелика и происходит периодически с большими или меньшими интервалами.

Таким образом, предшественники многих основных загрязняющих веществ уже имеются в обычных условиях в атмосфере. Поскольку растения развивались в присутствии таких соединений в обычных концентрациях, в этих условиях редко наблюдаются какие либо отрицательные воздействия на них. Эти воздействия обнаруживаются только тогда, когда концентрация загрязнений оказывается выше допустимого порогового уровня.

Атмосферные загрязнители по происхождению могут быть первичными - отходы предприятий, топок, двигателей и вторичными - образующимися в свободной атмосфере в результате химических, фотохимических, физико-химических реакций между загрязняющими веществами и компонентами атмосферы. Промышленные предприятия выбрасывают в атмосферу вещества, отличающиеся сложным химическим составом и степенью угнетающего действия на организмы. В их состав входят остаточные продукты горения органических веществ, термического и химического состава перерабатываемых материалов, механического дробления. В составе атмосферных загрязнителей преобладают газы. Среди них наиболее вредными являются окись углерода, окислы серы и азота, углеводороды, различные смолистые вещества [6, C.47].

Каждое из загрязнений воздействует своим особым образом, однако все загрязнения оказывают влияние на некоторые основные процессы. В первую очередь воздействию подвергаются системы, регулирующие поступление загрязняющих веществ, а также химические реакции, ответственные за процессы фотосинтеза, дыхания и производство энергии.

Поступление токсических неорганических соединений в листья условно можно разделить на три фазы:

Сорбция кутикулярным слоем и клетками эпидермиса;

Диффузия через устьичные щели внутрь листа и растворение в воде, насыщающей оболочки клеток, выстилающих дыхательные полости;

Передвижение от мест поглощения к соседним тканям и накопление в клетках.

На скорость проникновения токсических ионов и молекул через покровные ткани оказывают влияние их размеры. Так, интенсивность поступления их в листья увеличивается при гидратации, что бывает в период осадков, туманов и росы. Поступление токсических веществ в листья через покровные ткани сокращается, хотя и не прекращается совсем в неблагоприятных погодных условиях, например, при длительной летней засухе.

Большинство токсикантов (соединения углерода, серы, азота) в низких концентрациях могут служить источником необходимых растению макро- и микроэлементов. И в этом случае клетка обладает механизмами активного транспорта ионов через плазмалемму. В общих чертах этот механизм действует согласно с клеточным метаболизмом до тех пор, пока ионы или другие вещества не нарушают внутриклеточных реакций.

Поступающие в лист фитотоксиканты неравномерно распределяются в пределах листовой пластинки и всего растения. Большинство из них транспортируется по ксилеме на верхушку или края листовой пластинки. Проникшие в цитоплазму токсические соединения сосредоточиваются в основном в вакуолях [12, C.118].

Распространение и распределение атмосферных токсикантов, в тканях листа при закрытых устьицах, может быть представлено в следующей последовательности: поглощенные кутикулой газы диффундируют в нижерасположенные оболочки эпидермальных клеток, частично проникают в клетки, но в основном распространяются по свободному пространству к соседним клеткам и достигают проводящих сосудов.

Если токсические газы проникают через устьица, то они насыщают оболочки клеток, выстилающих дыхательные полости и каналы, растворяются в воде, и одна их часть проникает в клетку, а другая вместе с током воды транспортируется по жилкам до мест потребления.

Однако не все элементы распределяются в растении по указанному пути. Распространение и распределение токсических веществ разной химической природы в пределах листовой пластинки и всего растения контролируется не структурой проводящих тканей, а избирательным поглощением каждого из них в отдельности и зависит от концентрации токсического вещества, скорости его поступления в лист и передвижения по сосудам. При медленном поступлении, но быстром оттоке по ксилемным сосудам токсические соединения сосредоточиваются на верхушке и периферии листа, в результате чего появляются глубокие и необратимые нарушения. Так, по краям листа в условиях постоянного загрязнения воздуха газообразными токсикантами содержится в 10-50 раз больше фтора, окислов серы, азота, чем в серединной его части.

Илькун Г.М. наблюдал, что вместе с транспортными метаболитами из сформированных листьев экспортируется часть накопленных токсических веществ. Накопление в молодых листьях высоких доз токсических веществ, поступающих из средневозрастных листьев, может вызвать полную их гибель и опадение. Аккумулирующиеся в побегах путем оттока из листьев и притока из корней токсические соединения передвигаются к меристематическим тканям в период их активного состояния и отрицательно влияют на рост побегов, листьев и формирование генеративных органов.

Реакция на действие атмосферных газообразных токсикантов в большинстве случаев носит двухфазный характер:

увеличивается активность функциональных приспособлений;

происходит угнетение метаболизма [1, C.243].

Соотношение этих двух фаз в значительной мере определяет степень газоустойчивости растений.

На деревьях в зонах высокой загазованности много недоразвитых деформированных листьев, уже в начале лета проявляется омертвление их тканей, начинающееся с краев, а затем распространяющееся к середине. Листья темнеют, засыхают и опадают, чем сокращается продолжительность жизни растений.

В условиях промышленно-загрязненной среды древесные растения имеют более мелкие листья, большую толщину эпидермиса, меньшие размеры клеток ассимиляционной паренхимы и устьиц, большее количество устьиц на единицу площади листа. Усиление ксероморфности в строении листьев часто способствует повышению их газоустойчивости.

Под действием загрязняющих веществ, происходит подавление фотосинтеза, нарушение водообмена, многих биохимических процессов, снижение транспирации, общее угнетение роста и развития растений. Это приводит к изменению окраски листьев, некрозу, опадению листьев, изменению формы роста, ветвлению и т.д. [1, C.245]

Накапливаясь в тканях листа сверх допустимого уровня, токсикант вызывает у растений различные нарушения в структурной организации и функциональной деятельности. Начальными признаками поражения являются снижение транспирации и фотосинтеза, ухудшение поглощающих функций корня. Эти сдвиги вначале обратимы, но по мере накопления отравляющего вещества происходят резкие изменения ультраструктуры клеток (разбухание оболочки, нарушение структуры митохондрий и хлоропластов), а затем и ухудшение углеводного, белкового и фосфорного обменов.

1.2 Характеристика приоритетных загрязнителей воздуха и их отрицательного воздействия на древесные растения

Среди серосодержащих техногенных эмиссий наиболее фитотоксична двуокись серы. Установлено, что SO2 является сильнодействующим ассимиляционным ядом. В тоже время SO2 является местным ядом, убивающим только те участки мезофилла листа, в которые он проник, не затрагивая, существенно, жизнедеятельность соседних участков мезофилла. Растений, абсолютно устойчивых к сернистому газу, как и к другим вредным промышленным отходам, практически нет. Растения, у которых участки повреждений составляют до 20 % общей площади листьев, относят к слабоповреждаемым. У среднеповреждаемых видов участки повреждений составляют до 50 % и у сильноповреждаемых - свыше 50 %. Более восприимчивыми к сернистому ангидриду оказались липа сердцелистная (Tilia cordata L.), клен остролистный (Acer platanoides L.), рябина обыкновенная (Sorbus aucuparia L.), черемуха обыкновенная (Padus racemosa (Lam.) Gilib.), смородина черная (Ribes nigrum L.) и другие.

Поступление. Диоксид серы, прежде всего, воздействует на клетки, которые регулируют открывание устьиц. Степень их открывания в начальный период является основным параметром, определяющим интенсивность воздействия загрязнителя. Даже при очень малых концентрациях диоксид серы способен оказывать стимулирующее действие, в результате которого устьица остаются постоянно открытыми. В тоже время при высоких концентрациях диоксида серы устьица закрываются. Кроме того, в случае высокой влажности устьица открываются, в случае низкой - закрываются.

Попав в межклеточное пространство листа, загрязняющее вещество вступает в контакт с мембраной окружающей клетку. При нарушении целостности этой полупроницаемой мембраны нарушается баланс питательных веществ и процесс поступления ионов. Пройдя в клетку, диоксид серы взаимодействует с митохондриями и хлоропластами, в том числе и с их мембранами, что может привести к весьма серьезным последствиям [2, C.84].

Потребность. Сера необходима для нормального роста растений, и присутствие SO2 может оказывать влияние и на усвояемость серы. Растения потребляют серу в восстановленном состоянии. В присутствии SO2 основным продуктом становится сульфат; присутствует также цистеин, глютатион и, по меньшей мере, одно не идентифицированное вещество. Основными промежуточными соединениями при восстановлении сульфатов являются сульфиты.

Механизм токсического действия SO2 детально обсуждается в ряде монографий и научных статей отечественных и зарубежных авторов. Сернистый ангидрид в воздухе постепенно окисляется до серного и растворяется в воде, образуя мельчайшие капельки серной кислоты, повреждающей листья.

Загрязнение воздуха SO2 вызывает нарушение азотного обмена древесных растений, глубина и направленность которого зависят от возраста и биологических особенностей вида. Появление видимых симптомов повреждения коррелирует с накоплением в листьях значительного количества путресцина, глютамина, аммиака. Малые дозы SO2 увеличивают, а высокие уменьшают содержание общего и белкового азота. Для устойчивых видов отмечается рост содержания водорастворимых белков альбуминов - белков нерастворимого остатка. У неустойчивых (относится рябина) - превращения белков направлены в сторону уменьшения содержания альбуминов, глобулинов и увеличения высокомолекулярных белков. Повышение концентрации SO2 сопровождается снижением общего количества фосфатов, которые необходимы для роста и развития растений. Одновременно с увеличением или уменьшением общего фосфора синхронно и в том же направлении изменяется содержание неорганического фосфора. При скрытых поражениях листьев количество кислотонерастворимых фосфорных соединений уменьшается. При наличии видимых повреждений их количество вначале быстро возрастает, а с повышением степени повреждения листьев - превышает контрольные величины незначительно. Загрязнение воздуха SO2 также нарушает углеводный обмен. При скрытых и начальных повреждениях листьев уменьшается содержание дисахаров, но значительно увеличивается содержание крахмала. Более сильные повреждения - ослабляют гидролиз и синтез крахмала с одновременным уменьшением содержания моно- и дисахаров. В этом случае не только изменяется скорость взаимопревращения углеводов, но и происходит подавление фотосинтетической деятельности листьев [2, C.88].

Хотя точный механизм действия SO2 на молекулярном уровне неизвестен, можно предположить, что основную роль играют присутствие избыточного количества окисленных форм серы, нарушение баланса с восстановленными формами и воздействие на жизненно важные ферменты.

Адаптации. Под влиянием SO2 у растений усиливаются признаки ксероморфности: уменьшается площадь листовых пластинок, увеличивается степень жилкования и количество устьиц, размеры клеток устьичного аппарата уменьшаются. Добровольский И.А., Щербак Н.О. установили, что в процессе приспособления к условиям загрязнения у растений наблюдается мелкоклетность, утолщение клеточных оболочек.

Последствия от диоксида серы: обожженные листья после газовой атаки не опадают сразу же, а продолжают оставаться в кроне. Однако продолжительность их жизни заметно сокращается, и они опадают на 4-6 недель раньше по сравнению со здоровыми листьями. При остром поражении (более 2 мг/м3) уже через 1-2 часа происходит побурение и гибель листьев, чаще отдельных их участков в виде пятнышек с четко очерченной границей между живыми и отмершими клетками и тканями. При слабом поражении (менее 0,5 мг/м3) и длительном действии диоксида серы листья обесцвечиваются.

Окись углерода малотоксична для растений, но считается, что зеленые насаждения не способны очищать от нее атмосферу. Повышение концентрации CO2 в атмосфере, даже без учета глобального потепления, способно привести к значительному изменению структуры и функционирования экосистем, что скажется неблагоприятно на растениях. Удвоение концентрации CO2 в атмосфере влияет на древесные растения за счет: снижения обмена веществ, через устьичный аппарат; усиления фотосинтеза. В большинстве случаев это приводит к усилению прироста деревьев и эффективности водопоглощения [13, C.124].

При изменении концентрации CO2 в широких пределах, в растениях, представляющих наиболее северные леса умеренной полосы, усиливается фотосинтез.

Изменение концентрации CO2 должно быть строго сбалансировано с потребление азота, фосфора, других питательных веществ, света, воды, без нарушения экологического равновесия. Нарушение баланса, безусловно, скажется на устойчивости растений и их продуктивности.

Среди них наиболее распространенными загрязнителями воздуха являются оксид азота NO(II) и диоксид азота NO2 (IY).

Оксид азота NO - бесцветный тяжелый газ, кислородом воздуха окисляется до диоксида азота.

Диоксид азота NO2 - газ коричнево-бурого цвета (плотностью 1,49 кг/м3), который, реагируя с влагой воздуха, превращается в азотную и азотистую кислоты. Время жизни NO2 в атмосфере около 3 суток. NO2 обусловливает фотохимическое загрязнение атмосферы, поскольку реагирует с другими веществами: с диоксидом серы SO2, кислородом, углеводородами. Диоксид азота в пять раз токсичнее оксида азота. В атмосфере оксид и диоксид азота находятся в динамическом равновесии, превращаясь друг в друга в результате фотохимических реакций, в которых участвуют в качестве катализатора. Их соотношение в воздухе зависит от интенсивности солнечного излучения, концентрации окислителей и других факторов.

Оксиды азота вызывают сходные с диоксидом серы физико-биохимические повреждения у древесных пород.

В городском воздухе, в зонах с повышенным содержанием окислов азота, наблюдается «позеленение» стволов и нижних ветвей деревьев, что способствует интенсивному разрастанию на коре деревьев мелких водорослей зеленого цвета. Они получают необходимое им обильное азотное питание непосредственно из воздуха. На листьях появляются темно-коричневые или темные почки, расположенные между жилками и по краю листа. В концентрациях более 2 мг/м3 вызывают глубокие повреждения листьев. Отличительной особенностью их являются буровато-черные участки, чаще всего у вершины и у периферии листовой пластинки.

Двуокись азота ингибирует транспирацию в освещенных листьях, вызывая частичное закрывание устьиц. Действие газообразных NO2 и NO2 в концентрациях не приводящих к появлению видимых повреждений, вызывает понижение интенсивности фотосинтеза. Комбинированное действие этих газов аддитивно, однако эффект воздействия NO проявляется быстрее, чем эффект действия NO2. Ингибирование фотосинтеза под действием NOx может быть вызвано конкуренцией за НАДФН, происходящих в хлоропластах процессов восстановления нитрита и ассимиляцией СО2. Закисление, вызванное NO2 влияет на транспорт электронов и фотофосфорилирование. Под действием NO2 происходит разбухание мембран хлоропластов [7, C.25].

Аммиак для растений менее токсичен, чем сернистый газ, однако при длительном воздействии даже низких его концентраций обнаруживаются заметные признаки повреждения растений.

Пыль, представляет собой взвешенные в воздухе или осевшие на поверхности тех или иных объектов твердые частицы наземного (в том числе промышленного), вулканического, органического или космического происхождения. Наибольшей фитотоксичностью обладают пылевые выбросы алюминиевых заводов, электростанций, металлургических предприятий, асбестовых, цементных заводов, предприятий бытовой химии и ряда других. В общем объеме антропогенных выбросов промышленная пыль разнообразных производств составляет всего 10% и более, но последствия ее фитотоксического действия подчас бывает трудно оценить.

Степень отрицательного воздействия промышленной пыли на растения зависит от ряда факторов, среди которых основными являются ее химический состав и растворимость в воде, скорость оседания пылевых частиц и продолжительность удерживания их на поверхности, возможность образования воздухонепроницаемых корок.

Даже слабое, но постоянное воздействие пылевых выбросов на определенные структурные и функциональные звенья экосистемы вызывает нарушение естественных биологических сообществ и снижение общей устойчивости к другим внешним повреждающим воздействиям. Ослабленные деревья, как правило, становятся объектами массового заселения стволовыми вредителями или грибных инфекций, приводящих к быстрому отмиранию древостоев.

Пыль сильно ослабляет газообмен, процессы дыхания и фотосинтеза, вызывает угнетение растений и затрудняет их рост, снижает продуктивность и скорость возобновления, упрощает породный состав в результате исчезновения неустойчивых видов сообщества.

1.3 Устойчивость рябины обыкновенной

В начале было распространено мнение о возможности быстро и легко выявить высокодымоустойчивые виды путем осмотра зеленых насаждений на задымляемых территориях, а затем рекомендовать их для других задымляемых территорий. Таким путем поступали в Германии и Бельгии в конце XIX - начале XX в. Так, например, Шредер и Реусс (1883) по степени устойчивости к сернистому газу, для условий Западной Европы, располагали рябину обыкновенную на 5 месте, начиная с наименее устойчивых, после ели европейской, сосны обыкновенной, березы повислой и ольхи черной. Имеются указания, что рябину обыкновенную можно разводить в промышленных городах с пропитанной дымом атмосферой и рекомендовать для озеленения промышленных предприятий (Гетта). По мнению других авторов, рябина страдает от загрязнения воздуха дымом и газами (Вехов; Галактионов) [11, C.265].

Результаты исследований, выполненные Н.П. Красинским и рядом его сотрудников и последователей, показали, что рябина обыкновенная относится к ряду видов с крайне низкой газоустойчивостью. Также Красинский придавал большое значение фактору освещения.

Результаты И.Р. Илюшина, основанные на теории Красинского показали, что рябина обыкновенная относится к среднеповреждаемым видам, наряду с тополем бальзамическим, вязом гладким, смородиной черной и другими. Он проводил исследования в окрестности завода, загрязняющего воздух кислыми газами (сернистый ангидрид, окислы азота и углерода).

На весьма широкой географической основе проведены рекогносцировочные обследования И.П. Кунцевич. и Т.Н. Турчинской. Ими были обследованы различные промышленные предприятия в различных областях России и на основе полученных данных составлена единая шкала сравнительной оценки дымоустойчивости многих деревьев и кустарников. Рябина обыкновенная, согласно этой шкале, относится к среднеповреждаемым видам.

Аналогичное наблюдение провели В.М. Ионин и В.Ф. Колташева. Авторы не рекомендуют использовать рябину обыкновенную как устойчивый вид при загрязнении атмосферного воздуха выбросами промышленных предприятий [11, C.268].

Рябина обыкновенная, по одним наблюдениям, хорошо растет и развивается в условиях довольно высокой загазованности, пригодна для зон умеренного поражения, по другим - является среднеповреждаемой. Рябину обыкновенную относят также к малоустойчивым, сильноповреждаемым и чувствительным видам. Отмечается очень медленное восстановление декоративности.

Таким образом, сведения о газоустойчивости рябины противоречивы, но указания на высокую газоустойчивость встречаются реже, чем на низкую.

Глава 2. Практическое исследование влияния загрязнения воздушного бассейна города Тюмени на морфометрические показатели рябины обыкновенной

2.1 Объект и методы исследования

Объект исследования.

Систематика:CORMOPHYTA - Высшие растения

Отдел: Maqnoliophyta (Anthophyta) - Цветковые или покрытосеменные

Класс: Maqnoliopsida (Dicotyledones) - Магнолиопсиды или двудомные

Подкласс: Rosidae - Розиды

Порядок: Rosales - Розоцветные

Семейство: Rosaceae - Розовые (розоцветные)

Подсемейство: Maloideae - Яблоневые

Род: Sorbus - Рябина

Вид: Sorbus aucuparia L. - Рябина обыкновенная.

Ареал. Область распространения рябины обыкновенной охватывает почти всю Европу. Она занимает большую часть лесной и лесостепной зон европейской части СНГ. Растет в лесах Сибири, Дальнего Востока, в горных лесах Карпат, Крыма и Кавказа. Также отличается очень широкой экологической амплитудой. В подлеске хвойных и смешанных лесов отдельными деревьями или группами, по лесным опушкам, вырубкам и гарям, оврагам, по берегам рек и ручьев. В Тюменской области рябина обыкновенная встречается по всей территории очень часто, в лиственных, смешанных и хвойных лесах. Существует 84 вида рябины, в нашей стране растет 43 вида [8, C.68].

Морфологическое описание.

Жизненная форма. Одноствольное или многоствольное дерево или крупный кустарник до 15-20 м высотой, 30-40 см в диаметре. Ствол прямой. Кора гладкая, серая. Крона ажурная, шарообразная или яйцевидная.

Корневая система у рябины имеет неглубокий стержневой корень и хорошо развитые в радиальном направлении ветвящиеся корни.

Побеги двух типов: удлиненные вегетативные и укороченные генеративные голые и покрыты сверху блестящей сероватой пленкой. Часто встречаются укороченные побеги.

Почки войлочно-пушистые, заостренные, 0,8-2 см длиной, с 4-6 кроющими чешуями. Расположение почек спиральное. Листовой рубец узкий, с 5 следами, но снаружи, чаще видны 3-4 следа.

Листья сложные, непарноперистые, очередные, продолговато-эллиптические с 9-15 (реже 17) листочками, покрытые у основания железками. Общий черешок длиной 8-17см. Листочки продолговатые, острые, длиной 2-7см и шириной около 2 см, по краям просто- и двоякопильчатые, у основания цельнокрайние, с верхней стороны темно-зеленые, с нижней - серо-зеленые, жилкование несовершенноперистое. Конечный листочек часто к основанию более суженный, иногда сросшийся с 1-2 верхними боковыми листочками.

Цветки с пятичленным околоцветником обоеполые, мелкие, диаметром до 1см., собраны в крупные щитковидные соцветия 10-15см в диаметре на концах укороченных побегов желтовато-белые или зеленоватые, длиной 5-10см, ароматные, горько-миндального запаха. Цветки появляются после распускания листьев, в мае-июне. Опыляется жуками, мухами.

Плоды округлые яблочки, мелкие, диаметром 6-10 мм., 2-5-гнездные, оранжево-красные, блестящие. На вкус горько-кислые, с 2-6 семенами терпкие, со своеобразным запахом, созревают в сентябре-октябре.

Семена с эндоспермом, обычно в количестве 3 штук, мелкие, сплюснутой формы, на концах острые или с загнутыми концами, трехгранные, коричневые, длиной около 4 мм, шириной 2 мм, толщиной 1мм. Семенная кожура светло- или темно-коричневая, блестящая. Всхожесть высокая [5, C.233].

Проростки однопобеговые с двумя овальными семядольными и двумя ассимилирующими листьями. Семядольные листья эллиптической или слегка яйцевидной формы, с коротким черешком, суженным основанием, 6-7 мм длиной и 3-4 мм шириной.

Ритм сезонного развития. Живет рябина до 150 и более лет. Растет быстро, за 1 год вырастает на 0,5м. В первом десятилетии в благоприятных экологических условиях рябина обыкновенная является быстрорастущей древесной породой. Во втором - энергия ее роста в высоту снижается. Под пологом леса, особенно на бедных почвах, она растет небольшим деревцем или кустарником.

Возобновление. После рубки рябина успешно возобновляется пневой порослью, отличающейся в первые годы быстрым ростом.

Размножение отводками. В лесные культуры рябину высаживают 2-летними сеянцами. В пределах своего обширного естественного ареала успешно размножается семенным путем. Образует пневую поросль и корневые отпрыски.

Расселение. По лесам, опушкам и открытым местам способствуют птицы. Самосев рябины появляется не только в лиственных и хвойно-лиственных лесах, но и в чисто хвойных. Однако лучше всего она разрастается на вырубках и других более освещенных местах. Под пологом ее кустов и зарослей часто поселяется ель и пихта, которые затем ее перерастают. В искусственных степных лесопосадках рябина расселяется с помощью птиц.

Экология вида. Одни авторы относят рябину обыкновенную к теневыносливым видам, другие напротив к достаточно светолюбивым, однако и те и другие считают, что она может мириться с большим затенением, но не цветет в таких местах и выглядит угнетенной. Морозоустойчива и заморозками не повреждается, засухо- и жароустойчива К почве рябина нетребовательна [5, C.237].

Эдафический фактор: к почве рябина нетребовательна. Удовлетворительно растет на подзолистых и дерново-подзолистых, суглинистых и супесчаных почвах лесной зоны, на серых и темно-серых суглинках и деградированных черноземах лесостепи, на черноземных почвах степной зоны и в горах на горно-лесных бурых почвах. Однако интенсивнее она растет на свежих глубоких плодородных супесчаных и суглинистых почвах. Для произрастания этой породы непригодны засоленные, торфяно-болотные почвы и глубокие выщелоченные пески.

Применение. Рябина - ценная древесная порода, дает качественную красноватую древесину, которая идет на изготовление различных столярных изделий, мебели, музыкальных инструментов; она огнестойка и с трудом загорается. Кора применяется для выделки самых дорогих и тонких кож. Листья рябины выделяют летучие вещества, убивающие бактерии.

В медицине. Содержащиеся в ягодах рябины вещества повышают устойчивость организма к кислородному голоданию. Рябина укрепляет организм, способствует налаживанию обмена веществ, при помощи препаратов рябины лечат головные боли. Благодаря содержанию в рябине биологически активных веществ ее используют в борьбе с раком. С помощью отвара цветков рябины лечат зоб. Сорбит понижает содержание жира в печени, холестерина в крови и используется как заменитель сахара.

В народной медицине используют плоды, цветки, листья рябины обыкновенной. Они обладают желчегонным и мочегонным свойствами, а также противовоспалительным, витаминным, потогонным действием, понижают кровяное давление, повышают свертываемость крови.

В озеленении. Рябина и ее формы - красивые декоративные растения, широко используемые в зеленом строительстве. Часто разводится в садах и парках. Выращивается в виде промышленной культуры повсеместно.

Методы исследования.

Методы анализа атмосферного воздуха

Заборы воздуха производили в следующих районах исследования:

районы умеренного загрязнения: ул. Республики (около завода Медоборудования); ул. Станционная (район Войновки); ул. Чекистов (Гилевское кольцо);

районы слабого загрязнения: ул. Широтная (Тюменский микрорайон); ул. Домостроителей (район Лесобазы);

район условного контроля - п. Винзили;

с использованием электроаспиратора (ТУ 25-11-1414-78).

В атмосферном воздухе определяли пыль (твердые частицы), диоксид азота (IV), оксид серы (IV.

Расчет результатов анализа. Концентрацию двуокиси серы (С) в мкг/дм3 в анализируемой пробе находят по формуле:

где В -- общий объем пробы в поглотительном приборе, см3;

М -- количество вещества, найденное в а дм3 пробы, взятой для анализа, мкг; атмосферный воздух загрязнитель рябина

V -- объем протянутого воздуха, дм3;

К -- коэффициент пересчета для приведения объема отобранного воздуха к нормальным условиям;

а -- объем пробы, взятой для анализа, см3.

Определение содержания диоксида азота

Методика предназначена для определения концентрации диоксида азота в атмосферном воздухе населенных пунктов в диапазоне 0,02 - 1,40 мг/м3 при объеме пробы воздуха 5 дм3 . Метод основан на улавливании диоксида азота из воздуха раствором иодида калия. Образующийся нитрит-ион определяется фотометрически по азокрасителю, полученному в результате взаимодействия нитрит-иона с сульфаниловой кислотой и 1-нафтиламином.

Определение массовой концентрации пыли в атмосферном воздухе.

При определении концентрации пыли исследуемый воздух с помощью аспирационного прибора протягивается через предварительно взвешенный фильтр из фильтрующей ткани. За несколько дней до отбора проб фильтры взвешиваются неоднократно на аналитических весах до достижения постоянного веса каждого фильтра. На каждом фильтре записывается номер и его масса. В качестве фильтрующих материалов использовались аналитические аэрозольные фильтры (АФА), весовые из перхлорвинила (ВП), с рабочей поверхностью фильтра 20 см, которые обладают высокой эффективностью фильтрации и малым аэродинамическим сопротивлением. Эти фильтры задерживают частицы размерами 0,1 - 0,2 мкм при объемной скорости протягивания воздуха до 6 м3/ч. При проведении исследований время пропускания воздуха через фильтр составляло 20 минут при скорости протягивания 12 л/мин. После окончания отбора проб фильтры направляются в лабораторию для вторичного взвешивания на аналитических весах (ГОСТ 17.2.4.05-83).

Обработка результатов измерений.

По разности масс фильтров до и после отбора проб воздуха устанавливается концентрация пыли по формуле:

Где С - концентрация пыли, мг/м3;

m1- масса фильтра без пыли, мг;

m2 - масса фильтра с пылью, мг;

Vo - объём пропущенного через фильтр воздуха, приведённый к нормальным условиям, м3.

Содержание серы в листьях определяли фотометрическим методом. Метод основан на способности сульфат-ионов (SO42-) образовывать с ионом (Ba2+) нерастворимый в кислотах белый осадок сульфата бария BaSO4.

Брали две навески листьев (без черешков). Одну навеску массой 500 мг помещали в фарфоровый тигель для озоления. Озоление проводили в муфельной печи при температуре 8000C в течение 30 минут. Навеску массой 1,0-5,0 г для определения гигроскопической влаги в анализируемых листьях помещали в бюкс. Вычисление содержания серы производили на абсолютно сухое вещество. Брали пустой бюкс и взвешивали на аналитических весах, помещали в бюкс навеску листьев, предварительно взвешенную на технических весах, и снова взвешивали. Взвешивание производили с точностью до четвертого знака (0,0001г). Затем помещали бюкс с навеской в сухой термостат и производили высушивание при температуре 1050С в течение 6 часов, после чего производили повторное взвешивание.

Далее брали тигель с навеской после озоления и производили отмывание осадка. Для этого брали колбу на 50 мл и воронку с фильтром (фильтр смоченный дистиллированной водой). Золу из тигля высыпали в воронку с фильтром, тигель промывали два раза, воду сливали в воронку. Промывали золу, добавляя воду из промывалки. При отмывании осадка сульфаты из золы переходят в фильтрат, который собирается в колбе. Полноту отмывания осадка от сульфатов проверяли с помощью проб: брали на предметное стекло несколько капель фильтрата из воронки, вносили в него одну каплю соляной кислоты и 1-2 капли 5% раствора бария. Отсутствие помутнения свидетельствовало о полном отмывании сульфатов.

Затем собранный в колбе фильтрат доводили до 50 мл дистиллированной водой, и переливали в стакан объемом 100-150 мл, добавляли 1-2 капли соляной кислоты (для создания кислой среды, в которой лучше идет осаждение). Через одну минуту добавляли 5 мл осадителя, оставляли на двадцать минут для осаждения сульфатов. В присутствии сульфатов появляется белая взвесь - осадок сульфата бария.

Одновременно проводили «холостой» опыт («нулевая проба»), для чего в стакан наливали 50 мл дистиллированной воды и добавляли все реактивы в описанной выше последовательности. Через 20 минут измеряли оптическую плотность опытных проб на фотоэлектроколориметре КФК-2 против «нулевой» пробы, с синим светофильтром. Длина волны 400 нм, толщина кюветы 10 мм. По калибровочному графику определяли содержание SO2 в 1 мл раствора. Расчет содержания серы в листьях производили по формуле:

C = А?В?К1?К2 / М?104

где С - содержание серы в листьях на абсолютно сухое вещество в %;

А - концентрация сульфатов по калибровочному графику, мкг/мл;

В - объем фильтрата, взятый для анализа, мл;

К1 - коэффициент перевода сульфата в чистую серу, равен 0,333;

К2 - коэффициент гигроскопичности;

М - навеска листьев, взятая для озоления, г;

104 - множитель для перевода мкг в г и %.

Для расчета коэффициента гигроскопичности К2 использовали результаты взвешиваний навески номер два. Расчет производили по формуле:

К2 = 100/100- (Д/Е?100%)

где К2 - коэффициент гигроскопичности анализируемого растительного материала;

Д - разность масс навески до и после высушивания, г;

Е - масса сырых листьев, г.

Основным сравниваемым элементом мы взяли годичный побег. Под годичным побегом мы понимаем побег, развивающийся из почки возобновления в течение одного вегетационного периода. В качестве изучаемых морфометрических признаков были выбраны длина и ширина листовой пластинки, длина черешка, число листочков на сложном листе, площадь листовой пластинки и удельная поверхностная плотность листа (УППЛ).

Исследование морфологической изменчивости осуществлялось на десяти деревьях средневозрастного онтогенетического состояния в каждой точке исследования. Выделение возрастных состояний проводилось на основании онтогенеза рябины обыкновенной. С каждого дерева бралось по 10 побегов на высоте 2 м.

2.2 Результаты исследования и обсуждение результатов

Основные стационарные источники загрязнения города - это объекты энергетики, химико-фармацевтическая, машиностроительная, пищевая промышленность, транспорт и промышленность строительных материалов. Наибольший вклад в загрязнение города Тюмени вносят электроэнергетика и химико-фармацевтическая промышленность и транспорт. Основными вредными ингредиентами загрязняющими воздух являются пыль, ацетон, диоксид азота, диоксид серы, углеводороды, фтористые соединения.

Для обеспечения экологической безопасности населения и природной среды необходимо, чтобы количество выбрасываемого в атмосферу вещества в единицу времени (мощность выброса) источником загрязнения атмосферы не приводило к превышению ПДК этого соединения. С этой целью для каждого источника загрязнения устанавливается предельно допустимый выброс вредных веществ в атмосферу (ПДВ). При этом выбросы вредных веществ, от данного источника и от совокупности источников, с учетом перспективы развития промышленных предприятий и рассеивания загрязняющих веществ в атмосфере, не создают приземистую концентрацию. То есть на высоте 1,5 - 2,5 м от поверхности земли, превышающую их ПДК для населения, растительного и животного мира.

Таблица 1. ПДК некоторых загрязняющих веществ в атмосферном воздухе для растений и человека, мг/м3

Загрязняющее вещество	Растения в целом	Древесные виды	Человек *
Сернистый ангидрид (SO2)	0,02	0,03	0,5
Диоксид азота(NO2)	0,02	0,04	0,085
Пыль, цемент	-	0,2	0,5

* Для человека приведены ПДК максимально разовые

Нами было проведено исследование по выявлению пыли, ангидрида сернистого, азота диоксида в атмосферном воздухе города Тюмени.

Высокая концентрация пыли в воздушной среде города была обнаружена на всех исследуемых улицах, кроме п. Винзили. В районе завода Медоборудования содержание исследуемого загрязнителя было наибольшим и составило 0,69 мкг/м3. На улице Станционная содержание пыли составило 0,56 мкг/м3. Для улиц Чекистов и Широтная показатели по данному загрязнителю имели примерно одинаковые средние значения и составили 0,37 и 0,35 мкг/м3 соответственно. Достаточно низкие показатели по концентрации пыли были получены в районе Лесобазы и составляли 0,28 мкг/м3. Таким образом, содержание исследуемого загрязнителя в воздухе колебалось в пределах от 0,28 до 0,69 мкг/м3. Причем превышение содержания пыли по сравнению с ПДК было выявлено на всех исследуемых улицах, за исключением контрольной.

Другим не менее опасным загрязнителем воздуха является и диоксид азота. Даже при незначительных его концентрациях происходит изменение цвета листьев и хвои, а при кратковременном действии больших доз обнаруживаются буровато - черные участки, изменения эпидермы растений (на вершине и по периферии листовой пластинки появляются буровато - черные участки, кончики хвоинок приобретают темно-красный цвет).

Таким образом, из результатов проделанной нами работы видно, что показатели данного загрязнителя ни на одной из улиц не превысили ПДК. Наибольшая степень загрязнения диоксидом азота характерна для районе завода Медоборудования и составила 0,033 мг/м3, а наименьшая для п. Винзили, где равнялась 0,004 мг/м3. Также низкие значения отмечены в на ул. Широтной и района Лесобазы - 0,009 мг/м3. Лабораторный анализ проб воздуха, отобранных возле на улицах Станционная и Чекистов, показал следующие результаты - 0,017 и 0,013 мг/м3 соответственно.

По четырех балльной шкале опасности сернистый ангидрид относиться к третьему классу токсикантов. Серный ангидрид благодаря высокой гигроскопичности быстро реагирует с водяным паром атмосферы и превращается в аэрозоль серной кислоты, который проникает в хлоропласты и взаимодействует с зеленым пигментов хлорофиллом, вызывая превращение его в феофетин.

Как свидетельствуют полученные в ходе лабораторного анализа показатели концентраций ангидрида сернистого, наиболее высокое его содержание в атмосферном воздухе обнаружено в районе завода Медобрудования - 0,45 мг/м3. По сравнению с ПДК, установленной для ангидрида сернистого, равной 0,03 мг/м3 (табл. 1), наблюдается превышение в 15 раз. На улицах Чекистов и Станционная выявлено превышение концентрации сернистого ангидрида в воздухе в 12,3 и 5 раза соответственно. Самое низкое содержание SO2 в воздухе обнаружено районе Лесобазы и Широтной равное 0,09 и 0,07 мг/м3 соответственно, но даже здесь наблюдается превышение в 3-2,3 раза. Только в п. Винзили, выбранной нами в качестве контрольной точки, содержание в атмосферном воздухе сернистого ангидрида нами практически не выявлено.

Таблица 2. Единичные индексы загрязненности атмосферы

Районы исследования	ИЗА по SO2	ИЗА по NO2	ИЗА по пыли
Медоборудование	15	0,83	2,8
ул.Чекистов	12,3	0,43	1,85
ул. Станционная	5	0,48	3,45
ул. Широтная	2,3	0,3	1,75
район Лесобазы	3,1	0,2	1,4
п. Винзили	0,03	0,1	0

Полученные результаты позволяют сделать вывод о том, что наибольшее токсическое влияние на древесные растения в нашем городе оказывает диоксид серы и пыль, так как ИЗА превышен во всех точках, кроме п. Винзили.

Нами был проведен лабораторный анализ по выявлению содержания серы в листьях рябины обыкновенной, в шести различных районах города.

Наши исследования показали, что самая высокая концентрация серы, обнаружена в листьях рябины обыкновенной, произрастающей в районе завода Медоборудования и равнялась 1,4 мг/г. Интересно, что для этой же улицы характерна самая высокая концентрация сернистого ангидрида в воздухе 0,45 мг/м3. На улице Чекистов концентрация серы в листьях составляла 1,2 мг/г, а концентрация сернистого ангидрида в воздухе имела значение 0,37 мг/м3. Разница между этими двумя точками статистически не значима (Р>0,05). На улице Станционная, концентрация серы в листьях составила 1,0 мг/г, а концентрация сернистого ангидрида в воздухе - 0,15 мг/м3. Почти одинаковые значения концентрации серы в листьях были получены в районе Лесобазы и Широтной и равнялись 0,86 и 0,85 мг/г, в то время как содержание сернистого ангидрида в воздухе на этих же улицах составило 0,09 и 0,07 мг/м3 соответственно (табл. 2). Наименьшая концентрация серы в листьях была обнаружена в п. Винзили и была равна 0,47 мг/г, а в воздухе содержание SO2 нами практически не обнаружено.

Таблица 3. Содержание серы в листьях рябины обыкновенной

Районы исследования	Концентрация серы в листьях, мг/г	Концентрация SO2 в атмосфере, мг/м3
Медоборудование	1,4±0,025	0,45±0,051
ул.Чекистов	1,2±0,023	0,37±0,043
ул. Станционная	1,0±0,018	0,15±0,021
ул. Широтная	0,85±0,005	0,070±0,0011
район Лесобазы	0,86±0,004	0,094±0,0015
п. Винзили	0,47±0,001	0,001

Таким образом, из результатов нашей работы видно, что существует прямая зависимость между содержанием сернистого ангидрида в воздухе и содержанием серы в листьях. Данная зависимость установлена с помощью корреляционного анализа r = 0,94 (Р<0,005).

Мы проследили изменение длины годичного побега у рябины обыкновенной и получили следующие результаты. Самый высокий прирост длины годичного побега наблюдался у растений, произрастающих в п. Винзили, и составил 81,8±3,13 мм. Важно отметить, что здесь нами выявлено минимальное содержание сернистого ангидрида в воздухе - 0,001 мг/м3. Чуть ниже прирост длины годичного побега наблюдался в районе Лесобазы и равнялся 71±3,54 мм, а содержание SO2 в воздухе составило 0,09 мг/м3. Аналогичная зависимость была характерна и для улиц Широтной и Станционная, но отметим, что разница между этими тремя точками статистически незначима. Самый маленький прирост был замечен в районе завода Медоборудования и улицы Чекистов и составил 48±1,67 и 52±1,96 мм соответственно, а содержание сернистого ангидрида на этих улицах было самым высоким (0,45 и 0,37 мг/м3). Отмечено, что разница между этими двумя точками статистически незначима (Р>0,05). Разница в длине годичного прироста рябины обыкновенной между всеми остальными точками статистически значима (Р<0,05).

Таким образом, рассматривая изменение длины прироста годичного побега у рябины обыкновенной, мы видим четкую обратную зависимость данного параметра от концентрации сернистого ангидрида в воздухе, так как по литературным данным известно, что SO2 оказывает тормозящее действие на ростовые процессы. Зависимость установлена с помощью корреляционного анализа, r = -0,95 (P<0,005). При построении графика зависимости взят десятичный логарифм длины годичного побега.

Проведенные нами измерения длины сложного листа рябины обыкновенной показывают, что максимальная длина листовой пластинки отмечена у деревьев, произрастающих в п. Винзили и в районе Лесобазы, и разница между этими точками незначима (Р>0,05). На этих же улицах нами выявлено самое минимальное содержание сернистого ангидрида в воздухе. Близкие значения имеют показатели, полученные на улицах Широтная (183,4±2,78мм) и Станционная (183,2±2,97мм). Достоверная разница в изменении длины листа на этих улицах статистически значимо отличается от условного контроля. И, наконец, самая минимальная длина листовой пластинки была замечена в самых загрязненных районах исследования, на улицах Чекистова (171±2,71мм) и в районе Медоборудования (170,8±1,96мм), где обнаружено самое высокое содержание SO2. Эти значения статистически значимо различаются от всех остальных.

Таким образом, данные дисперсионного анализа показывают статистически значимое влияние района исследования на длину листовой пластинки рябины обыкновенной.

Таким образом, на примере рябины обыкновенной мы показали, что не только с помощью физиологических и биофизических критериев можно оценить экологическое состояние городской среды. В связи с проведенными исследованиями предлагается использовать критерии годичный прирост, длина, ширина, площадь листовой пластинки и удельная поверхностная плотность листа для диагностики нарушения жизнедеятельности древесных растений, подвергнутых воздействию загрязнения сернистым ангидридом.

Заключение

Таким образом, в условиях промышленно-загрязненной среды древесные растения имеют более мелкие листья, большую толщину эпидермиса, меньшие размеры клеток ассимиляционной паренхимы и устьиц, большее количество устьиц на единицу площади листа. Усиление ксероморфности в строении листьев часто способствует повышению их газоустойчивости.

Под действием загрязняющих веществ, происходит подавление фотосинтеза, нарушение водообмена, многих биохимических процессов, снижение транспирации, общее угнетение роста и развития растений. Это приводит к изменению окраски листьев, некрозу, опадению листьев, изменению формы роста, ветвлению и т.д.

Рябина обыкновенная, по одним наблюдениям, хорошо растет и развивается в условиях довольно высокой загазованности, пригодна для зон умеренного поражения, по другим - является среднеповреждаемой. Рябину обыкновенную относят также к малоустойчивым, сильноповреждаемым и чувствительным видам. Отмечается очень медленное восстановление декоративности.

Таким образом, сведения о газоустойчивости рябины противоречивы, но указания на высокую газоустойчивость встречаются реже, чем на низкую.

Но, проведенные нами исследования позволяют сделать следующие выводы:

1. Установлено превышение содержания сернистого ангидрида в атмосферном воздухе. На в районе завода Медоборудования в 15 раз, на улице Чекистов в 12,3 раза, на улице Станционная - в 5 раз, на улице Широтная - в 3,13 раза, в районе Лесобазы - в 2,3 раза. Концентрация пыли на всех пяти исследуемых улицах также превышала предельно-допустимые значения. Остальные загрязняющие вещества содержаться в пределах нормы.