Особенности формирования ассимиляционного аппарата древесных растений в условиях Липецкого промышленного центра

Липецкая область является развитым промышленным регионом России. Промышленный сектор представлен более чем 200 крупными предприятиями черной металлургии, машиностроения и металлообработки, химической, пищевой и других отраслей. Все это обуславливает высокий уровень промышленного загрязнения, в 2015 году объем выбросов от стационарных источников составил 327,7 тыс. т [2]. На территории области располагается один из крупнейших в России металлургических комбинатов — ПАО «Новолипецкий металлургический комбинат» (НЛМК). На долю НЛМК приходится 84,3% всех выбросов в атмосферу от стационарных источников Липецкой области, объем которых в 2015 году составил 276,4 тыс. т [3]. В структуре промышленных выбросов преобладают СО (70,1%), твердые частицы (7,1%) и NOx (7,0%) [2].

Липецкая область характеризуется низкой лесистостью, общая площадь лесного фонда составляет всего 7,52% от территории области (180,5 тыс. га), на долю лесных культур насаждений естественного происхождения приходится 45,2% от общей лесопокрытой площади. Лесистость по районам области неравномерная и колеблется от 0,2% до 20%, основные лесные массивы (как естественного происхождения, так и культуры) расположены по долинам рек Дон и Воронеж. В лесном фонде Липецкой области преобладающими породами являются сосна (34,2% лесопокрытой площади), дуб низкоствольный (28,8%), дуб высокоствольный (9,3%) и береза (12,9%) [9].

Древесные растения в городской среде являются эффективным средством снижения загрязнения окружающей среды за счет поглощения и нейтрализации атмосферных токсикантов [8, 1, 11, 7, 12, 6, 4]. При этом вопросы устойчивости древесных растений к различным видам загрязнения окружающей среды остаются слабоизученными. Отсутствуют подробные исследования роста и развития древесных растений в пределах промышленного загрязнения Липецкой области. С целью оценки устойчивости древесных растений к действию промышленного загрязнения были изучены особенности формирования ассимиляционного аппарата сосны обыкновенной (Pinus sylvestris L.), березы повислой (Betula pendula Roth) и дуба черешчатого (Quercus robur L.) в пределах Липецкого промышленного центра.

Объекты и методика исследований

Исследования проводились в одновозрастных насаждениях сосны обыкновенной, березы повислой и дуба черешчатого на территории Грязинского лесничества Липецкой области (рис.1).

Рис. 1. Картосхема расположения пробных площадей на территории Липецкого промышленного центра: 1−2 — сосна обыкновенная, 3−4 — береза повислая, 5−6 — дуб черешчатый

Закладка и описание постоянных пробных площадей проводилась по стандартной методике [10], краткая таксационная характеристика изученных насаждений представлена в таблице. Пробные площади на территории Липецкого промышленного центра располагались в непосредственной близости от НЛМК в районе агломерационной фабрики и Липецкой ТЭЦ. Контрольные пробные площади в насаждениях сосны обыкновенной были заложены в 17,5 км к северу от НЛМК (окрестности села Капитанщино), для березы повислой и дуба черешчатого — в 17 км к юго-востоку от НЛМК (окрестности села Красная Дубрава).

Таблица. Краткая таксационная характеристика насаждений сосны обыкновенной (Pinus sylvestris L.), березы повислой (Betula pendula Roth) и дуба черешчатого (Quercus robur L.) в условиях Липецкого промышленного центра.

Изучение роста ассимиляционного аппарата (в вегетационной динамике, с мая по август) проводили по стандартной методике [5]. Ежемесячно отбиралось не менее 50 образцов хвои/листьев (для каждой для каждой пробной площади). Длина хвои (первого, второго и третьего года), ширина и длина листовых пластинок определялась цифровым штангенциркулем 1 класса точности (Калиброн, Россия) с точностью до 0,01 мм. Масса хвои и листьев определялась в воздушно-сухом состоянии на электронных лабораторных весах I класса точности AND GF-200 (A&D, Япония) с точностью до 0,001 г.

Результаты и обсуждение Исследования показали, что в условиях загрязнения Липецкого промышленного центра длина и масса хвои меньше по сравнению с контролем (рис.2). В течение вегетационного периода (с мая по август) однолетняя хвоя сосны в условиях загрязнения увеличивается на 41,30 мм, в контроле — на 38,70 мм; длина двухлетней хвои увеличивается на 18,80 и 7,80 мм соответственно; длина трехлетней хвои в условиях загрязнения увеличивается на 6,50 мм, в контроле — на 13,70 мм.

Рис. 2. Длина и масса хвои сосны обыкновенной (Pinus sylvestris L.) в условиях Липецкого промышленного центра

Масса однолетней хвои (1 хвоинки) в условиях загрязнения Липецкого промышленного центра в течение вегетационного периода увеличивается на 0,769 г, в контроле — на 0,701 г; масса двухлетней хвои в условиях загрязнения увеличивается на 0,0039 г, в контроле — на 0,0070 г; масса трехлетней хвои на 0,0015 и 0,0105 г соответственно.

Линейные размеры листовых пластинок березы повислой (рис.3) в условиях промышленного загрязнения значительно не изменяются по сравнению с контрольными значениями, за исключением августа, когда происходит снижение ширины листа (загрязнение — 49,78 мм, контроль — 60,38 мм). В течение вегетационного периода (с мая по август) в условиях длина листовых пластинок березы увеличивается на 17,31 мм, ширина — на 5,09 мм, в контроле длина листьев увеличивается на 21,80 мм, ширина — на 18,19 мм.

Рис. 3. Длина и ширина листовых пластинок березы повислой (Betula pendula Roth) в условиях Липецкого промышленного центра

Линейные размеры листовых пластинок дуба черешчатого (рис.4) в условиях загрязнения меньше контрольных, но к августу листья в условиях загрязнения и в контроле имеют одинаковые размеры. В условиях длина листовых пластинок дуба увеличивается на 34,58 мм, ширина — на 36,4 мм, в контроле длина листьев увеличивается на 23,28 мм, ширина — на 23,31 мм.

Рис. 4. Длина и ширина листовых пластинок дуба черешчатого (Quercus robur L.) в условиях Липецкого промышленного центра

Значительных изменений массы листовых пластинок березы повислой (рис. 5.) в условиях промышленного загрязнения не выявлено. Исключение составляет август, когда в контроле установлен факт увеличения массы (в 1,37 раза) листовых пластинок по сравнению с условиями загрязнения. Масса листовых пластинок березы в условиях загрязнения увеличивается на 0,0352 г, в контроле — на 0,1375 г. Изменения массы листовых пластинок дуба черешчатого сходны с изменениями линейных параметров (длины и ширины). Исключение составляет август, когда в условиях загрязнения отмечается уменьшение массы листьев по сравнению с контролем. Масса листовых пластинок дуба в условиях загрязнения увеличивается на 0,3051 г, в контроле — на 0,3075 г.

Рис. 5. Масса листовых пластинок березы повислой (Betula pendula Roth) и дуба черешчатого (Quercus robur L.) в условиях Липецкого промышленного центра

Анализируя результаты исследований, следует отметить, то скорость роста однолетней и двухлетней хвои в условиях загрязнения выше по сравнению с контролем, при этом длина хвои данных возрастов выше контроле. Кроме того, однолетняя хвоя в условиях загрязнения практически не отстает в росте (по длине и по массе) от хвои, формирующейся в условиях контроля. Но со второго года в условиях загрязнения происходит отставание в росте хвои (по длине и массе), которое нарастает к третьему году. Аналогично в условиях загрязнения развиваются листовые пластинки дуба — скорость роста по длине и ширине выше по сравнению с контролем, но при этом линейные размеры листовых пластинок и скорость увеличения массы в условиях загрязнения ниже. Линейные размеры листовых пластинок березы в условиях загрязнения и в контроле практически одинаковы, при этом скорость роста (по длине и ширине) и увеличения массы листовых пластинок березы выше в условиях контроля.

Таким образом, несмотря на значительное загрязнение воздушного бассейна Липецкого промышленного центра (276,4 тыс. т) не отмечается значительных изменений в формировании ассимиляционного аппарата сосны обыкновенной, березы повислой и дуба черешчатого. Это можно объяснить структурой выбросов от стационарных источников — преобладание монооксид углерода (СО), на долю которого приходится 70,1% выбросов. Монооксид углерода является сравнительно малотоксичным для растений [1], так как растения обладают способностью окислять его до углекислого газа и затем связывать в фотосинтетическом цикле, а его отрицательное влияние на растения проявляется только при сравнительно высоких концентрациях.

Отмеченные различия в вегетационной динамике формирования ассимиляционного аппарата сосны обыкновенной, березы повислой и дуба черешчатого можно рассматривать в качестве адаптивных реакций на действие промышленного загрязнения, направленных на обеспечение устойчивого роста и развития в данных антропогенных лесорастительных условиях.

Заключение

• 1. Длина и масса хвои сосны обыкновенной в условиях промышленного загрязнения меньше по сравнению с контролем. При этом, не отмечается значительных изменений в росте однолетней хвое в условиях загрязнения.
• 2. Основной рост листовых пластинок березы повислой и дуба черешчатого отмечается в первой половине вегетационного периода.
• 3. Ассимиляционный аппарат березы повислой более устойчив к действию промышленного загрязнения (не отмечается значительного снижения длины, ширины и массы листьев) по сравнению с дубом черешчатого, у которого отмечается снижение линейных параметров и массы листовых пластинок (за исключением августа).
• 4. Выявленные различия в вегетационной динамике формирования ассимиляционного аппарата сосны обыкновенной, березы повислой и дуба черешчатого можно рассматривать в качестве адаптивных реакций на действие промышленного загрязнения, направленных на обеспечение устойчивого роста и развития в данных экстремальных лесорастительных условиях.
• 5. Несмотря на снижение линейных параметров ассимиляционного аппарата у изученных видов в условиях загрязнения Липецкого промышленного центра не отмечается гибели насаждений сосны обыкновенной, березы повислой и дуба черешчатого. Можно предположить, что данные насаждения будут и далее успешно продолжать выполнять свои санитарно-защитные функции.

Работа выполнена при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (грант № 16−44−480 262).

• 1. Артамонов В. И. Растения и чистота природной среды. М.: Наука, 1986. 172 с.
• 2. Государственный доклад «О состоянии и об охране окружающей среды Российской Федерации в 2015 году». М.: Минприроды России; НИА-Природа, 2016. 639 с.
• 3. Доклад «Состояние и охрана окружающей среды Липецкой области в 2015 году». Липецк: Управление экологии и природных ресурсов Липецкой области; Веда социум, 2016. 260 с.
• 4. Зайцев Г. А., Кулагин А. Ю. Сосна обыкновенная и нефтехимическое загрязнение: дендроэкологическая характеристика, адаптивный потенциал и использование. М.: Наука, 2006. 124 с.
• 5. Клейн Р. М., Клейн Д. Т. Методы исследования растений. М.: Колос, 1974. 527 с.
• 6. Кулагин А. А., Зайцев Г. А. Лиственница Сукачева в экстремальных лесорастительных условиях Южного Урала. М.: Наука, 2008. 171 с.
• 7. Кулагин А. А., Шагиева Ю. А. Древесные растения и биологическая консервация промышленных загрязнителей. М.: Наука, 2005. 190 с.
• 8. Кулагин Ю. З. Древесные растения и промышленная среда. М.: Наука, 1974. 125 с.
• 9. Лесной план Липецкой области. Книга 1. Воронеж: Администрация Липецкой области; Управление лесного хозяйства; Воронежлеспроект, 2014. 394 с.
• 10. Методы изучения лесных сообществ. СПб.: НИИХимии СпбГУ, 2002. 240 с.
• 11. Николаевский В. С. Экологическая оценка загрязнения среды и состояния наземных экосистем методами фитоиндикации. М.: Изд-во МГУЛ, 1998. 191 с.
• 12. Павлов И. Н. Древесные растения в условиях техногенного загрязнения. Улан-Удэ: БНЦ СО РАН, 2005. 370 с.
• 13. Smith W.H. Air pollution and forest. Interaction between air contaminants and forest ecosystems. New York: Springer, 1981. 379 p.