Влияние воздушной среды города Сургута на морфологию и анатомию хвои сосны обыкновенной

Автор: Ботова Екатерина Олеговна, 8 кл.,
 курс «натуралист-исследователь»,
 станция «юный натуралист»

Научный руководитель: Ботова Ольга Михайловна.

г. Сургут

Введение

Растения очень четко реагируют на состояние природной среды. Листья являются самыми чувствительными к действию атмосферных загрязнителей, как впрочем, и к действию многих других факторов. Такая чувствительность объясняется тем, что большинство важных физиологических процессов осуществляются в листе, который служит как бы центром вариабельности или пластичности организма.

Несмотря на возрастающую озабоченность состоянием воздушной среды и усилением мер контроля, выброс газообразных загрязнителей не уменьшается, что приводит к повреждению растений и их гибели. Воздушное загрязнение наносит большой вред лесному и сельскому хозяйству и вызывает устойчивые сдвиги в природных экосистемах. Исследование влияния загрязнения воздуха на растительность может послужить важной основой для разработки профилактических мероприятий на основе контроля загрязнения воздуха.

Цель исследования: выяснить, влияет ли воздушная среда города Сургута на морфологию и анатомию хвои сосны обыкновенной.

Задачи:

1.      Сравнить морфологические и анатомические характеристики хвои сосны обыкновенной из разных районов города Сургута и заповедника «Юганский».

2.      Выявить специфические реакции хвои сосны обыкновенной как биоиндикатора загрязнения воздушной среды.

3.      Оценить состояние воздуха районов города Сургута используя в качестве биоиндикатора хвою сосны обыкновенной.

материал и методика

Для исследования влияния воздушной среды города Сургута на морфологию и анатомию хвои сосны обыкновенной собрали хвою 1999 года в разных районах города Сургута. В качестве эталона и контроля использовали хвою сосен собранную в заповеднике «Юганский»

Описание методики и сбора материала

В городе Сургуте сбор хвои осуществлялся около дорог, с интенсивным транспортным движением, в парке «Сайма» и около ГРЭС; в заповеднике «Юганский» хвоя была взята в лесу и на болоте.

В точке обследования выбирали пять молодых сосен высотой 1,5 – 1,8 метра с 8-15 мутовками боковых побегов на главном стволе, отстоящих друг от друга на расстоянии 10-20 метров. Около каждой сосны оценивали степень вытоптанности участка:

1 – вытаптывания нет; 2 – вытоптаны тропы; 3 – осталось немного травы около деревьев;      4 - ни травы ни кустарников нет.

У каждого деревца осмотрели хвоинки участка центрального побега 1999 года (второго сверху),определили класс повреждения и усыхания хвои и определили продолжительность жизни хвои по методике Алексеева  (5).

У 10 хвоинок, произвольно взятых с центрального ствола 1999 года измерили длину, ширину хвоинки, подсчитали  площадь, отметили встречаемость в укороченном побеге по 2 и по 3 хвоинки.

Для изучения анатомических параметров в лабораторных условиях часть хвои зафиксировали спиртом. Поперечные срезы хвои рассматривали в световой микроскоп (УМ-301), под малым увеличением (56 раз) и большим увеличением (140 раз).

Характеристика района исследования

№1 и №2 станции обследования расположены в заповеднике «Юганский». «Заповедник «Юганский» находится на площади  648 636 га. Вокруг заповедника установлена двухкилометровая охранная зона общей площадью 98 893 га». [4].

В радиусе 50 км отсутствуют промышленные объекты, воздух здесь идеально чистый. 

№1 – Заповедник. Темнохвойный елово-кедровый зеленомошный лес, сосны     встречаются редко.

№2 – Заповедник. Верховое сфагнумовое болото, с болотными  формами сосны.

№3 по №11 станции обследования расположены в районах города Сургута. Город занимает площадь свыше 2000 км 2, на которой проживают 271 тыс. человек.

В Сургуте действует около  2 тыс. предприятий : по добыче углеводородного топлива (основное – ОАО «Сургутнефтегаз», одно из крупнейших в России); энергетики (ГРЭС 1 , 2, - гиганты отечественной энергетической промышленности); транспорты (важнейший в Приобье речной порт; крупнейший в регионе аэропорт; с 1975 года – конечная станция на ж/д линии Тюмень – Сургут; крупнейший узел нефте- и газопроводов); строительство (жилищного, автодорожного); геологии; пищевой, рыбной, лесной и лесоперерабатывающей и др. отраслей промышленности.

К сожалению, в результате застройки города строители мало сохранили естественной растительности. Зеленый наряд города составляет посаженые деревья, в основном березы и осины. В окрестностях Сургута преобладают сосновые беломошные леса, чередующиеся болотами.

№ 3 – Западный жилой район, ул. Грибоедова; интенсивное движение грузового и легкового транспорта; посадки.

№ 4 – Западный район, ул. Киртбая; интенсивное движение грузового транспорта; около дороги сохранены естественные лесные массивы.

№ 5 – Северный промышленный район; ул. Профсоюзов; интенсивное движение грузового и легкового транспорта, зеленых насаждений мало.

№ 6 – Западная часть Центрального жилого района; проспект Набережный; одностороннее движение легкового транспорта, с Запада примыкают естественные леса место отдыха горожан.

№ 7 – Центральный жилой район; ул. Ленина; интенсивное движение легкового транспорта; зеленых насаждений мало.

№ 8 – Южная часть Восточного района; ул. Мелик-Карамова; интенсивное движение легкового транспорта; старые посадки.

№ 9 – Восточный промышленный район; ул.Электротехническая; интенсивное движение грузового транспорта; на одной из обочин дороги сохранены естественные лесные массивы.

№ 10 – ГРЭС; сохранены естественные участки леса.

№ 11 – Центральный жилой район; парк «Сайма» (лыжная база); сохранен естественный лесной массив.

результаты исследования

Работа проводилась на 11-ти станциях. Обследовалась хвоя сосны обыкновенной с 55-ти деревьев: с 10-ти из заповедника «Юганский» (которая служила контрольной), с 45-ти деревьев разных участков города Сургута.

Первичная обработка материала осуществлялась по станциям, затем подсчитывался среднеарифметический показатель по всем параметрам исследований. Результаты исследования сведены в таблицу № 1.

Таблица № 1

Морфологическая характеристика хвои по станциям

№ станц

Степень вытоптанности

Кол-во побегов в котор.по 3 хвоинки,

в %

Степень поврежд.

 хвои

Длина хвои,

см

Ширина хвои,

мм

Площадь хвои,

см 2

Продолжительность жизни

№ 1

1

6 %

1,04

3,9

1,08

4,2

5,2

№ 2

1

6 %

1,02

3,04

1,34

4,1

5,0

№ 3

2,4

40 %

1,04

4,5

1,78

8,0

2,8

№ 4

1

20 %

1,22

4,02

1,72

6,9

3,6

№ 5

2

6 %

2,1

4,65

1,63

7,4

2,5

№ 6

1,6

33 %

1,8

4,96

1,26

6,2

2,7

№ 7

1,7

0 %

1,9

5,2

1,4

7,3

2,7

№ 8

2,0

33 %

1,76

4,9

1,58

7,7

2,4

№ 9

1,6

0 %

1,46

5,02

1,24

6,2

3,1

№ 10

3,2

6 %

1,3

5,98

1,52

9,1

2,6

№ 11

1,2

40 %

1,18

5,66

1,54

8,7

3,6

Результаты морфологических исследований

Осматривая хвоинки отметили, что самые зеленые из леса заповедника,  а самые бледно-зеленые около ГРЭС. Хвоинки с небольшим количеством некротических пятен обнаружены на деревьях с ул. Профсоюзов и с пр. Набережный. С полностью усохшей хвоей 1999 года обнаружены деревья с ул. Ленина и Мелик-Карамова. Судя по степени повреждения хвои, которая в среднем по городу 1,5, можно предположить, что высоких концентраций загрязителя в воздухе нет, за исключением ул. Профсоюзов, где степень повреждения – 2,1.

В связи с повышением плотности промышленных предприятий, населенных пунктов и транспорта складывается обстановка, характеризующаяся постоянным воздействием малых концентраций загрязнителей, находящихся в окружающей среде постоянно. Растения обладают малой способностью детоксикации поглощенных загрязнителей. «Воздействие загрязнителя воздуха может вызывать функциональное повреждение растения без видимых проявлений этого воздействия». [3]. К числу эффектов, которые трудно распознать без видимых симптомов повреждения, в отличие от некроза и хлороза хвои, можно отнести продолжительность жизни хвои. Сравнивая продолжительность жизни хвои в городе Сургуте и в заповеднике, отметили, что жизнь сократилась с 5 лет до 3 лет, а на ул. Мелик-Карамова, Профсоюзов, около ГРЭС до 2,5 лет, т.е. уменьшилась в два раза в сравнении с жизнью хвои в заповеднике.

 


Рисунок 3. Динамика изменения продолжительности жизни и площади хвои.

 


 


Рисунок 4. Динамика изменения длины, ширины и площади хвои.

 

Настораживает увеличение длины, ширины и площади хвои у деревьев, произрастающих в черте города.

В среднем длина городских хвоинок увеличилась на 1,5 см, ширина на 0,4 мм, а площадь на 3,3 см2. Площадь же хвоинок с участков около ГРЭС, парка «Сайма», ул. Грибоедова, Мелик-Карамова, Профсоюзов превышает площадь хвоинок заповедника почти в два раза.

Изменение характера роста служит доказательством поражения хвои. Р. Гудериан считает, что реакция растений на загрязнение начинается с нарушения биохимических процессов, микроскопических и субмикроскопических изменений клеточных органелл, которые обнаруживаются затем в изменении морфологической картины, общего состояния и, наконец, проявляются в изменении роста, в ухудшении качества или даже гибели растения.

Возможно, в результате постоянного действия низких концентраций загрязнителя формируются листья с большей площадью, чтобы восполнить интенсивность фотосинтеза, из-за утраты части листьев в результате меньшей продолжительности жизни. Увеличению фотосинтезирующей площади способствует и увеличение хвоинок в укороченном побеге с 2-х до 3-х. Встречаемость побегов с 3-мя хвоинками в заповеднике составляет 6 %, в городе же на ул. Грибоедова, в парке «Сайма» - 40 %, на ул. Мелик-Карамова, пр.Набережный – 33 % (см. Таблицу №1).

Если предположить, что увеличение фотосинтезирующей площади реакция растения на воздушные загрязнения, тогда самые неблагополучные места в Сургуте – это ГРЭС, ул. Грибоедова, Мелик-Карамова, Профсоюзов, парк «Сайма».

Анатомическое строение листьев хвои.

Поперечный срез листа имеет полукруглые очертания, снаружи расположен эпидермис с толстой кутикулой. Клетки эпидермиса почти квадратные. Под эпидермисом находится гиподерма, состоящая из 2-х – 3-х слоев волокон с утолщенными одревесневшими стенками. Устьица расположены по всей поверхности листа. Их замыкающие клетки находятся на уровне гиподермы, под околоустьичными клетками. Околоустьичные клетки очень крупные, с сильно утолщенными наружними стенками. Стенки замыкающих и околоустьичных клеток в утолщенных местах одревесневают. Устьичная щель ведет в подустьичную воздушную полость, окруженную клетками мезофилла.

Мезофилл – однородный, складчатый, клетки имеют лопастные очертания, межклетники между ними очень малы. В мезофилле под гиподермой расположены схизогенные смоляные каналы. Снаружи смоляной канал имеет обкладку из толстостенных неодревесневших волокон. Внутри он выстлан тонкостенными живыми клетками эпителия, выделяющими смолу.

Проводящая система представлена двумя коллатеральными пучками, расположенными в центре хвои под углом один к другому. Ксилема, состоящая из трахеид, с узкими полостями, обращена к плоской стороне листа, а флоэма к выпуклой.

Снизу между пучками находится тяж волокон с толстыми, слегка одревесневшими стенками. Проводящие пучки и примыкающие к ним механические элементы окружены трансфузионной тканью, состоящей из клеток двух типов. Возле ксилемы клетки несколько удлинены, содержимого в них нет, эти клетки называются трансфузионными трахеидами. Остальные клетки живые, паренхимные, тонкостенные.

Проводящие пучки вместе с окружающей их трансфузионной тканью отделены от мезофилла энтодермой, представляющей собой однорядный слой паренхимных клеток.

Результаты анатомического исследования листьев хвои.

1.      Рассмотрев поперечные срезы хвои отметили следующие изменения  Увеличение длины хвои в городе по сравнению с хвоей заповедника с 1,08 мм до 1,78 мм.

2.      Изменение формы хвои. На ул.Профсоюзов, Мелик-Карамова, парка «Сайма» обычно плоская верхняя часть хвои как бы прогибается к центральной части листа, а углы приподнимаются. У хвои с пр.Набережный плоская верхняя часть хвои стала выпуклой.

3.      У городских хвоинок наружный кутикулярный слой намного тоньше. Основная функция кутикулы предохранение листа от высыхания и других неблагоприятных воздействий среды. Это бесструктурное вещество непронимацаемое ни для воды, ни для газов, оно выделяется клетками гиподермы. Уменьшение кутикулы снижает ее защитные свойства, а лист становится менее защищенным. Видимо, способность клеток выделять защитное вещество - не бесконечна.

4.      Отмечена тенденция увеличения количества смоляных каналов у городских хвоинок по сравнению с хвоинками из заповедника с 6 до 10.

Сосны не имеют высоко специализированных органов выделения, экскреторные вещества скапливаются в особых вместилищах листа – смоляных каналах. В них накапливаются и длительно хранятся конечные продукты жизнедеятельности, которые выключаются из обмена веществ. Здесь же накапливается бальзам – раствор смол в эфирных маслах. «Смоляные каналы формируются в результате расширения межклетников молодых тканях, т.е.в следствие раздвигания клеток. При этом прилегающие к вместилищу живые крупноядерные клетки, становятся эпителиальными и выделяют в полость экскреторные вещества». [2].

Можно предположить, что увеличение количества смоляных каналов, происходит из-за скапливания большого количества ненужных вредных веществ в листе.

Листья с улиц Мелик-Карамова, Профсоюзов, пр.Набережный, парка «Сайма» просто битком забиты смоляными каналами. Для образования новых смоляных каналов в листе практически нет места. Листья, не способные удалить экскреторные вещества, подвергаются самоотравлению, что в конечном итоге ведет к их гибели.

У городских хвоинок отмечено частичное разрушение смоляных каналов. Смоляной канал имеет полость вместилища, выстилающие этипелиальные клетки и механические клетки, окружающие вместилище. У большинства городских хвоинок выстилающие клетки, способные выделять в полость экскреторные вещества частично разрушены или этого слоя нет вообще, т.е. листья совершенно не могут удалять экскреторные вещества.

Выводы

Обследование хвои сосны обыкновенной за 1999 год из разных районов города Сургута в сравнении с хвоей из заповедника «Юганский» показало, что:

1.      Воздушное загрязнение города Сургута отрицательно влияет на морфологию и анатомию хвои сосны.

2.      Значительно увеличивается длина и ширина хвои, площадь хвои увеличивается почти в два раза, изменяется характер роста, что является доказательством поражения хвои.

3.      Увеличение количества смоляных каналов, вместилищ экскреторных веществ, одна из возможностей нейтрализовать накопившиеся вредные вещества.

4.      Истончение кутикулярного защитного слоя и разрушение выстилающих эпителиальных клеток смоляных каналов, способных выделять в полость канала экскреторные вещества, один из признаков старения клеток и невозможности противостоять вредоносным внешним факторам.

5.      Сокращение продолжительности жизни хвои в два раза в сравнении с заповедником, показывает о невозможности хвои противостоять «городскому стрессу».

6.      Состояние воздуха в городе Сургуте неблагополучно, особенно на ГРЭС, улицах Мелик-Карамова, Профсоюзов, Ленина.

Литература

1.        Байкалова А. и др. Юганский заповедник – Тюмень, 1998. – 159 с.

2.        Ботаника. Хржановский В.Г. и др. – М., 1975. – 374 с.

3.        Гудериан Р. Загрязнение воздушной среды. – М., 1979. – 198 с.

4.        Заповедники Сибири (Под ред. Д.С. Павлова и др.) – М., 1999. – 239 с.

5.        Практикум по экологии. Алексеев С.В. и др. – М., 1996. – 189 с.

6.        Практикум по анатомии растений (Под ред. Д.А. Транковского) – М., 1979. – 223 с.

7.        Чижов Б.Е. Лес и нефть ХМАО. – Тюмень, 1998. – 240 с.

8.        Экологический практикум. Несговорова Н.П. и др. – Курган, 1996. – 88 с.

9.        Экология Ханты-Мансийского округа (Под ред. В.В.Плотникова) – Тюмень, 1997. – 288 с.