Функціональний стан деревних рослин в умовах техногенно сформованих урбоекотопів (на прикладі м. Київ)

Луцишин О.Г., Бєлошапка Т.В.,Тесленко І.К., Безлюдна А.О.

Науковий центр екомоніторингу та біорізноманіття мегаполісу НАН України, Київ, Україна

ФУНКЦІОНАЛЬНИЙ СТАН ДЕРЕВНИХ РОСЛИН В УМОВАХ ТЕХНОГЕННО СФОРМОВАНИХ УРБОЕКОТОПІВ (НА ПРИКЛАДІ м. КИЇВ).

Анотація: Проведено екомоніторинг за рівнем забруднення ґрунтів і фітомаси рослин та досліджено функціональний стан дерев вуличних насаджень м. Київ в умовах пролонгованої дії фітотоксичних елементів (Na⁺, Cl^-, Pb²⁺, Cd²⁺) залежно від рівня забруднення ґрунту та типу тканин (листки, кора, коріння) рослинного організму. Причиною катастрофічного функціонального стану вуличних насаджень дерев є кризовий рівень накопичення токсичних елементів у ґрунті та фітомасі рослин.

Ключові слова: фітотоксичні елементи (Na, Cl, Pb, Cd), некроз, хлороз, ростові процеси, стійкість деревних рослин, фізико-хімічні властивості грунту.

Вступ

Проблема забруднення довкілля сучасного м. Київ стала однією із самих злободенних проблем, оскільки антропогенне і техногенне навантаження на місто вже набрало небезпечних і, навіть, катастрофічних темпів і форм. Так, за статистичними даними 2006-2007 рр. обсяг викидів шкідливих речовин в атмосферу міста від стаціонарних та пересувних джерел забруднення складають 230,5 тис. т, або 283,9 т в розрахунку на 1 км², а на одного мешканця – 83,9 кг. Із них 191,0 тис. т викидів шкідливих речовин припадають на автотранспорт, що становило 84,1% при кількості автомобілів в межах 700 тис. од. Cьогодні кількість автомобілів у місті перевищує 1,2 млн. од. та ще, включаючи понад 250 тис. од. транзитного транспорту, частка шкідливих автотранспортних викидів досягає 90,0-95,0 %.

За даними державного моніторингу на автомагістралях і вулицях з інтенсивним транспортним рухом перевищення тільки діоксину азоту, оксиду вуглецю, сірчистого ангідриду та формальдегіду коливається в межах 4,2 – 34,7 ГДК, сажі та пилу – 10,2-28,3 ГДК, свинцю – 11,0-30,0 ГДК. Із кожним роком цей процес прискорюється, що зумовлено збільшенням парку автотранспорту, його незадовільним технічним станом, неякісним паливом та дорогами [11].

До найбільш небезпечних для екологічного стану столиці чинників, які згубно впливають на вуличні зелені насадження, належать надмірні концентрації фітотоксичних елементів (Na⁺, Cl^-, Pb²⁺, Cd²⁺), до яких рослинні організми еволюційно не пристосовані. Основними джерелами техногенного забруднення є автотранспортні викиди (Pb²⁺, Cd²⁺) та технічна сіль NaCl, яка неконтрольовано та невиправдано використовується у боротьбі проти ожеледиці.

Високі концентрації фітотоксичних елементів є стресовими факторами і реакція-відповідь рослинного організму на їх дію розвивається за одним і тим же механізмом: відбувається дезінтеграція мембранних систем та підвищення їх проникності внаслідок активізації перекисного окислення мембранних білково-ліпідних комплексів, що призводить до зміни активності ферментних систем, порушення синтезу білків, деградації молекул хлорофілу з наступним гальмуванням фотосинтетичних процесів.

Біоіндикатором небезпечного рівня забруднення довкілля столиці є функціональний стан рослинних організмів деревних насаджень вулиць, скверів, парків.

Токсична дія надлишкових концентрацій елементів проявляється у вигляді крайового та міжжилкового некрозу (темно-буре омертвіння тканин листків), міжжилкового хлорозу (пожовтіння листків внаслідок руйнування молекул хлорофілу) та гальмування ростових процесів з наступною дефоліацією крони, засиханням верхівок і окремих гілок, які є фітоіндикаторними показниками функціонального стану дерев.

Матеріали та методи дослідження

Метою нашого дослідження є вивчення функціонального стану деревних

рослинних організмів та їх адаптивну здатність до техногенного забруднення довкілля м. Київ.

Екомоніторинг рівня забруднення ґрунтів і фітомаси та функціонального стану рослин проводили у межах урбоекосистеми м. Київ. Об’єктом дослідження вибранні вуличні насадження різних по стійкості видів: липи серцелистої (Tilia cordata Mill.), клену гостролистого (Acer platanoides L.), цукристого (A. saccharum Marchall), несправжньоплатанового (A. pceudoplatanus L.), тополі пірамідальної (Populus pyramidalis Roz.) і тополі Болле (P. bolleana Louche) та гіркокаштану звичайного (Aesculus hippocastanum L.) на підібраних тест-майданчиках вулиць з різним рівнем техногенного навантаження. За контрольний тест-об’єкт взяті дерева природної зони лісового масиву Феофанії, який зазнає мінімального впливу техногенного забруднення.

Відбір зразків ґрунту і рослин (листків, кори 2-4-річних гілок, коріння) проводився на вулицях з інтенсивним рухом автотранспорту, де деревні насадження розташовані вздовж автотраси і тротуару. Грунт і коріння відбирали по методу змішаного зразка на глибині 0-50 см. Відбір зразків однорічних пагонів, листків і кори з 2-4-річних гілок відбирали з нижнього ярусу крони, яка найбільш підлягає дії автотранспортних викидів.

Аналіз морфофізіологічних ознак і рівня забруднення грунту і фітомаси рослин проводились за фізико-хімічними і біохімічними показниками екологічного стану ґрунту в зоні кореневої системи, концентрації фітотоксичних елементів (Na⁺, Cl^-, Pb²⁺, Cd²⁺) у системі грунт-рослина. Вміст іонів Na⁺ (рухома форма) визначали за методом полум’яної фотометрії на фотометрі Flapho-4 [7], іонів Cl^- (рухома форма) – прискореним біохімічним методом за Х.М. Починком [9]. Відповідно, концентрацію важких металів Pb²⁺ та Cd²⁺ (рухома форма) – методом атомно-абсорбційної спектрометрії на приладі ААS-3 [6]. Коефіцієнт концентрації (Кс) елементів у ґрунті в зоні кореневої системи вираховували як відношення концентрації елементів у ґрунті в зоні кореневої системи вуличних насаджень дерев до контрольного тест-об’єкта [8]. Коефіцієнти накопичення (К_н) вираховували як відношення кількісного вмісту елементу в листках, корінні, корі вуличних насаджень до їх вмісту в контрольних тест-об’єктах [10]. Індекс стійкості рослин (Іс) до дії надмірних концентрацій фітотоксичних елементів вираховували по відношенню величини даного морфофізіологічного показника вуличних насаджень до величини цього показника в рослинах контрольного тест-об’єкта [1]. Статистичну обробку отриманих даних проводили за стандартними методиками з використанням програми MS Excel з довірчою вірогідністю 0,95 [4].

Результати та їх обговорення

При проведенні екомоніторингу забруднення ґрунтів фітотоксичними елементами виявлено, що в ґрунтах у зоні кореневої системи деревних угруповань найбільш поширених видів, де їх загальна питома вага становить 90,0 %, концентрація Na⁺ у рухомій формі перевищує в 4,4÷6,6 рази гранично допустимі концентрації, що становить 4,4÷6,6 ГДК, відповідно Cl^- - 5,21÷18,7 ГДК, Pb²⁺ - від 30,6 до 51,35 ГДК, Cd²⁺ - досягає 0,6÷1,79 ГДК, залежно від виду дерев, розташування вздовж автотраси та інтенсивності руху автотранспорту, що за нормативними оцінками є кризовими для важких металів та Na⁺ [5]. При цьому коефіцієнт концентрації (Кс) для даних елементів у ґрунтах відповідно становить для Na⁺ - 14,22÷28,55; Cl^- - 0,97÷1,80; Pb²⁺ - 5,88÷6,21; Cd²⁺ - 1,67÷4,31, що свідчить про найвищий рівень накопичення натрію в ґрунтах у зоні кореневої системи різних видів дерев (рис. 1).

Рівень накопичення та локалізація фітотоксичних елементів у фітомасі рослин (листки, коріння, кора) залежить від фізичної та хімічної природи елементу, їх хімічних властивостей, концентрації у довкіллі, виду дерев, типу тканин та органів рослинного організму і ця закономірність чітко проявляється за величинами коефіцієнтів накопичення К_н (рис. 2).

Згідно К_н найбільш високою здатністю до накопичення у фітомасі виявлено для катіонів Na⁺ з переважною їх локалізацією в листках, у меншій мірі в корінні і найнижчою – у корі. Високу Na⁺-акумулюючу здатність виявлено у листках деревних вуличних насаджень липи серцелистої, клену гостролистого, гіркокаштану звичайного (відповідно, К_н= 16,64, 12,67 і 4,81, що відповідає концентрації Na⁺ у листках 10,46%, 0,76% і 2,02% (рухома форма)) і визначає чутливість досліджених видів дерев до дії стресових концентрацій NaCl.

Подпись: Кс

Рис. 1. Коефіцієнт концентрації (Кс) фітотоксичних елементів у ґрунті в зоні кореневої системи різних видів дерев

У тополі пірамідальної, а також клену цукристого іони Na⁺ переважно накопичується у корінні (відповідно, К_н має величину 4,98 і 3,36), що визначає їх підвищену стійкість до техногенного забруднення довкілля міста.

Величини К_н для іонів Сl^- ( рухома форма) у листках, корінні та корі знаходяться практично на одному рівні з незначним відхиленням від 1,0 незалежно від рівня Cl^--забруднення грунту, виду дерев, органів і тканин рослинних організмів.

Рівень накопичення та локалізація важких металів Pb²⁺ та Cd²⁺ (рухома форма) в різних типах тканин і органів незалежно від виду дерев виявився протилежним елементу Na⁺: К_н для коріння в 4,0 рази вища відносно листків для Pb²⁺ і 2,3 рази для Cd²⁺. Незалежно від концентрації важких елементів у ґрунті і виду дерев накопичення Pb²⁺ у листках є найнижчим, найвищим у корінні і корі: так, у корінні і листках гіркокаштану звичайного концентрація

ба

Pb²⁺ становила, відповідно, 26,7 і 16,4 ГДК, клену гостролистого – 30,5 і 15,7 ГДК, тополі пірамідальної – 20,6 і 15,8 ГДК, липи серцелистої у корі і листках, відповідно, – 40,9 і 20,2 ГДК. За нормативними оцінками визначені надмірні концентрації фітотоксичних елементів у листках, корінні і корі є також кризовими [2].

При високій акумулюючій здатності фітомаси деревних угруповань відбувається видалення токсичних речовин з ґрунту та атмосфери, але при цьому зростає ступінь ураження рослинних організмів. Тому, при високих рівнях фітотоксичного забруднення функціональний стан досліджених видів вуличних рослинних угруповань є катастрофічним для чутливих видів рослин липи серцелистої, клену гостролистого та гіркокаштану звичайного, в яких розвивається крайовий і міжжилковий некроз у 92,0÷100 % листяного покриву крони з ураженням самої листкової пластинки від 15,0 до 90,0 % її площі та 100 % ураженням листків міжжилковим хлорозом (рис. 3).

У відносно стійких рослинах тополі пірамідальної та клену цукристого, де акумулююча здатність листяного покриву крони, тобто асиміляційної системи рослинного організму, порівняно низька (К_н коливалось в межах 0,75÷1,72) у клену цукристого відсутній крайовий і міжжилковий некроз. Незначне некрозне ураження (від нуля до 0,5 %) у формі точкового некрозу зафіксовано у тополі пірамідальної.

Основними індикаторними маркерами зміни ростових процесів є морфофізіологічні показники рослин: річний приріст, розміри листкової пластинки (площа, довжина, ширина), суха біомаса листків, вміст води у листках.

Ступінь гальмування ростових процесів, представлених на векторній діаграмі, проявляється у більш глибоких змінах морфофізіологічних параметрів липи серцелистої (рис. 4).

При цьому фітоіндикаторні показники листків змінюються пропорційно рівню урботехногенного навантаження в напрямку їх ксерофітизації, що є вия-

Рис. 3. Ступінь некротичного ураження листяного покриву крони різного видового складу деревних вуличних насадженнь.Точковий некроз: - тополя пірамідальна (Populus pyramidalis Roz); - клен цукристий (Acer saccharum Marsh.); - тополя Болле (Populus bolleana Lauche.); крайовий і міжжилковий некроз: - клен несправжньоплатановий (Acer pseudoplatanus L.) ; - гіркокаштан звичайний (Aesculus hippocastanum L.); -липа серцелиста (Tilia cordata Mill.); -клен гостролистий (Acer platanoides L.); % від тест-контролю.

вом адаптивної реакції рослинних організмів. У більш стійкої тополі пірамідальної зміни морфометричних параметрів листків є незначними, за винятком різкого зниження річного приросту і часткового відмирання гілок крони, що в науковій літературі розглядається як адаптивна реакція, направлена на оптимізацію форми крони у стресових умовах техногенного забруднення довкілля [3].

Рівень життєздатності і чутливості окремих органів рослин, за величинами індексу стійкості (Іс) морфофізіологічних показників ростових процесів для різних по чутливості видів деревних рослин знаходяться <1,0, що свідчить про пригнічення їх життєздатності (рис. 5). Проте, стійкість тополі пірамідальної за морфометричними показниками листків і їх біомаси значно вища, ніж у чутли-

Рис.5. Індекс стійкості (Іс) різних видів дерев за форфофізіологічними показниками ростових процесів в умовах техногенного забруднення довкілля м. Київ.

Рис. 6. Едафічні показники грунту в зоні кореневої системи рослинних угруповань зелених зон м. Київ: - оптимальний рівень показника, - едафічні показники грунту урбоедафотопів довкілля міста: 1 – вміст вологи, %; 2 – вміст гумусу, %; 3 – N легкогідролізований, мг/100 г; 4 – Ca²⁺, мг-екв/100 г; 5 – Mg²⁺, мг-екв/100 г; 6 – рН_с, % від оптимального рівня показника.

вих видів гіркокаштану звичайного, липи серцелистої та клену гостролистого.

Отже, зміни параметрів листків (площі, ширини, довжини), річного приросту, ступінь некрозного ураження листкових пластинок можуть слугувати інформативними неспецифічними ознаками функціонального стану рослин на рівні різних органів при біоіндикаційних дослідженнях техногенно трансформованих урбоекосистем.

Необхідно відмітити незадовільний хімічний стан ґрунтів на вулицях міста (рис. 6). Ґрунти у зоні кореневої системи різних видів деревних угруповань незалежно від їх розташування і виду дерев мають всі ознаки специфічної техногенно трансформованої урбопедосистеми: належать до малогумусних (0,96-2,63%, що в середньому становить 33,4% від оптимального рівня), де концентрація легкогідролізованого азоту – 4,70-10,25 мг/100 г, відповідно 39,2% від оптимального рівня).

Особливо небезпечним є дефіцит вологи у грунті (4,4-10,0%, 10,4 від оптимального рівня), дефіцит Mg²⁺ (у два-три рази менше відносно природної зони) та зміна кислотності ґрунтового розчину у напрямку лужної реакції (рН_с 7,26-7,80) за рахунок забруднення ґрунтів катіонами Na⁺, що гальмує нормальний ріст і розвиток кореневої системи рослин.

Висновки

Рівень техногенного забруднення найбільш небезпечним для довкілля м. Київ фітотоксичними елементами (Na⁺, Cl^-, Pb²⁺, Cd²⁺) за нормативними оцінками показників реакції-відповіді рослинного організму є критичними.

Основною причиною катастрофічного функціонального стану зелених зон міста є критичні рівні техногенного забруднення ґрунтів і фітомаси деревних вуличних угруповань.

Найбільш небезпечними для життєдіяльності рослин є іони Na⁺, оскільки для них виявлені найвищі значення коефіцієнтів концентрації у ґрунтах (К_с – 28,5÷16,4, відповідно, у весінніх та літніх відборах), коефіцієнтів накопичення у листках (К_н – 16,64÷12,67, відповідно у липи серцелистої та клену гостролистого), при достовірних кореляційних взаємозв’язках між концентрацією Na⁺ та ступенем некротизації листків крони дерева (r=0,77).

Фітоіндикаторні морфофізіологічні показники змінюються пропорційно рівню урботехногенного навантаження на екотопи в напрямку їх ксерофітизації, що є виявом їх адаптивної реакції на зміну екологічного стану

м. Київ.

За фізико-хімічними властивостями техногенно трансформовані міські ґрунти є малопридатними для росту і розвитку деревних вуличних насаджень.

Література:

1. Алеексеева-Попова Н.В. Генотипическая реакция устойчивости к цинку популяции шалфея степного // Физиол. и биохимия культурных растений / Н.В. Алексеева-Попова, Т.И. Игошина. – 1993. – 25, № 1. – С. 19-23.

2. Гуральчук Ж.З. Фітотоксичність важких металів та стійкість рослин до їх дії. – К.: Логос, 2006. – 208 с.

3. Коршиков И.И. Адаптация растений к условиям техногенно-загрязненной среды. – К.: Наук. думка, 1996. – 239 с.

4. Лакин Г.Ф. Биометрия. – Москва: Высш. шк., 1990. – 352 с.

5. Левон Ф.М. Вуличні насадження Києва: сучасний стан, шляхи оптимізації // Науковий вісник НАУ: Лісівництво. – 1999. - № 20. – С. 109-118.

6. Методические указания по опренделению тяжелых металлов в почве сельскохозяйственных угодий и продукции растениеводства. – М.: Высш. шк., 1992. – 57 с.

7. Методическое пособие по аналитическим работам для агрохимической службы Украинской ССР. Ч. 1. – Киев, 1999. – 118 с.

8. Патика В.П. Агроекологічна оцінка мінеральних добрив та пестицидів / В.П. Патика, Н.А. Макаренко, Л.І. Моклячук та ін. – Київ: Основа, 2005. – 297 с.

9. Починок Х.М. Методы биохимического анализа растений. – К.: Наукова думка, 1976. – 334 с.

10. Случик І.Й. Акумуляція важких металів у пагонах видів роду Populus в умовах урбанізованого середовища / І.Й. Случик, В.П. Стефурак. // Науковий вісник Чернівецького ун-ту. Біологія. – 2000. – Вип. 77. – С. 51-59.

11. Тимошенко С.М. Гігієнічні аспекти (проблеми) екології м. Києва // Матеріали науково-практичної конференції «Екологічні проблеми м. Києва та шляхи їх вирішення». – Київ. – 2006. – С. 13-22.