Антропогенное влияние на стабильность развития лесных культур березы повислой Betula pendula Roth в зеленой зоне г. Астаны

Полный текст

Введение

Среда оказывает большое влияние на состояние растительного сообщества, при позитивных условиях деревья и кустарники не имеют отклонений от нормы на молекулярно-клеточном, организменно-популяционном и биотическом уровне. При нормальном качестве окружающей среды уровень отклонений минимален, при ухудшении условий среды снижаются устойчивость и состояние биоты, а признаком величины изменений является интегральный показатель стабильности развития [1, 2].

Широко применяется методика измерения флуктуирующей асимметрии (ФА) для листьев березы повислой [3–5], начаты разработки шкал оценки комфортности среды обитания для различных древесных пород, в т. ч. дуба черешчатого [6], вяза [7, 8], клена остролистного [9]. Показатель ФА листового аппарата дает возможность определять все изменения в окружающей среде, даже незначительные отклонения условий, которые еще не проявляются в фенотипе растений, но уже влияют на снижение жизнеспособности [10]. У разных авторов показатель стабильности развития березы повислой имеет различный диапазон величин [11, 12].

Доказано воздействие антропогенных факторов, в т. ч. рекреации, на морфологическую структуру листьев. Степень рекреационной нагрузки влияет на качество среды, что подтверждается изменением величины ФА листьев березы повислой [13–16]. В то же время имеются противники теории значимости ФА как метода биоиндикации, приводящие в качестве доказательств необходимость исследований взаимосвязи ФА с влиянием стрессовых факторов среды в рамках контролируемых экспериментов [17].

Цель исследований — изучение флуктуирующей асимметрии листьев березы повислой (Betula pendula Roth) в зеленой зоне г. Астаны.

Материалы и методы исследования

Объектами исследований выбрали 19-летние искусственные насаждения березы повислой, часть которых в 7-летнем возрасте была подвергнута пересадке из кулис в межкулисные пространства, а часть осталась расти в кулисах. Участок условно был разделен на высокое и низкое местоположение в связи с особенностями рельефа. Размещение непересаженных культур — 4,0×1,0 м, пересаженных — 4,0×4,0 м.

Жизненное состояние деревьев на пробных площадях определяли по методике Алексеева [18], согласно которой насаждение относилось к категории «здоровое» при вычисленном балле 80…100, «ослабленное» — 50…79 баллов, «сильно ослабленное» — 20…49 баллов.

Листья для проведения исследований собирали с деревьев, произрастающих на открытых участках, с нижней части кроны. На каждой пробной площади было собрано по 100 листьев с разных деревьев. Изучение ФА листьев начинали с измерений следующих признаков: ширина листа; длина второй жилки второго порядка от основания листа; расстояние между основаниями первой и второй жилок второго порядка; расстояние между концами этих жилок; угол между главной жилкой и второй от основания жилкой второго порядка. Измерения проводили линейкой и транспортиром на левой и правой половине листьев. Расчеты показателя асимметрии выполняли на основании методических указаний [1, 11]. Система оценок приведена в табл. 1, из которых видно, что в зависимости от величины интегральных показателей стабильности развития определяется уровень отклонения от нормы (условно нормального фонового состояния) [19, 20].

Таблица 1. Шкала оценки отклонений состояния организма от условной нормы по величине интегрального показателя стабильности развития для Betula pendula

Балл	Качество среды	Величина показателя стабильности развития
		[19]	[20]
I	Условно нормальное	< 0,040	< 0,055
II	Начальные (незначительные) отклонения от нормы	0,040…0,044	0,056…0,060
III	Средний уровень отклонений от нормы	0,045…0,049	0,061…0,065
IV	Существенные (значительные) отклонения от нормы	0,050…0,054	0,065…0,070
V	Критическое состояние	> 0,054	> 0,070

Table 1. Scale of assessment of deviations of the state of the organism from the conditional norm by the value of the integral indicator of development stability for Betula pendula

Score	Environmental quality	Indicator of development stability
		Naumova et al. [19]	Dymshakov et al. [20]
I	Conditionally normal	< 0.040	< 0.055
II	Initial (minor) deviations from the norm	0.040…0.044	0.056…0.060
III	Average level of deviations from the norm	0.045…0.049	0.061…0.065
IV	Significant deviations from the norm	0.050…0.054	0.065…0.070
V	Critical condition	> 0.054	> 0.070

Результаты исследования и обсуждение

С момента пересадки деревьев из кулис в межкулисные пространства за лесными культурами проводят наблюдения за ростом и состоянием деревьев. В 2020 г. в данных насаждениях начато благоустройство территории с целью рекреационного использования. Между рядами березы построили велосипедные и пешеходные дорожки с асфальтовым покрытием, установили беседки и другие малые архитектурные формы. Следовательно, насаждения в течение трех лет подвергались антропогенному воздействию, особенно участок непересаженных деревьев на низком местоположении.

Прежде всего мы оценили жизненное состояние лесных культур березы повислой (табл. 2). Все изучаемые насаждения в той или иной мере относятся к категории ослабленных. Состояние деревьев постепенно ухудшается и составляет в 2022 г. 66,9…71,2 балла на пересаженных участках и 72,3…72,4 балла — на непересаженных пробных площадях.

Таблица 2. Оценка жизненного состояния лесных культур Betula pendula

Вид лесных культур	Место произрастания	Год наблюдений
		2010	2019	2020	2021	2022
Непересаженные	Высокое	82,3	72,8	72,5	72,4	72,4
	Низкое	85,1	73,0	72,8	72,4	72,3
Пересаженные	Высокое	42,3	69,4	68,5	67,4	66,9
	Низкое	56,4	73,9	72,7	72,7	71,2

Table 2. Assessment of the vital state of Betula pendula forest crops

Type of forest crops	Tree elevation	Year of observations
		2010	2019	2020	2021	2022
Not transplanted	High	82.3	72.8	72.5	72.4	72.4
	Low	85.1	73.0	72.8	72.4	72.3
Transplanted	High	42.3	69.4	68.5	67.4	66.9
	Low	56.4	73.9	72.7	72.7	71.2

Изначально лучшее состояние имели непересаженные лесные культуры на низком местоположении, возможно из-за близкого уровня грунтовых вод и особенностей рельефа, худшее — пересаженные культуры на высоком местоположении. В первый год после пересадки наблюдался большой отпад пересаженных деревьев, особенно на высоком местоположении. Стабильный показатель сохранности установился к 2019 г., когда сохранность пересаженных культур составила соответственно на низком и высоком местоположении 70,7 и 37,6 %, непересаженных — 92,1 и 91,8 %. Первоначальная общая оценка жизненного состояния на пересаженных лесных культурах имела достаточно низкий балл по сравнению с 2019 г., когда из-за гибели ослабленных и сомнительных деревьев числовой показатель жизненного состояния насаждений увеличился.

В табл. 3 приведены значения показателей ФА листьев березы повислой на пробных участках. К сожалению, сразу после пересадки культур изучение стабильности развития листовых пластинок не проводилось, поэтому приводятся результаты исследований до и после благоустройства территории. До создания рекреационной зоны (2019 г.) лучший балл показателя стабильности развития имели пересаженные деревья на высоком местопроизрастании, хотя там наблюдалась начальная стадия отклонения от условной нормы. У непересаженных деревьев на низком местоположении была стадия значительного отклонения от нормы. Поскольку данные культуры расположены рядом с оживленной автомобильной трассой, в них скапливалось большое количество тяжелых металлов, суммарные концентрации элементов в листьях достигали — 259,6 мг/кг. Кроме того, плотное стояние деревьев негативно влияло на экологическое состояние насаждений. Средней степенью асимметричности характеризовались пересаженные деревья на низком местопроизрастании и непересаженные насаждения на высоком местопроизрастании.

Балл стабильности развития у непересаженных деревьев на низком и высоком местопроизрастании постепенно снижался и достиг к 2022 г. показателя в 5 баллов, что говорит о критическом значении качества среды. Резкое снижение экологической обстановки произошло на участке пересаженных культур на высоком местопроизрастании. После создания рекреационной зоны показатель асимметричности со 2-го балла перешел на 4-й и достиг критического значения в 2022 г. Пересаженные культуры на низком местопроизрастании имели 3–4-й балл по всем годам наблюдений. Вследствие пересадки у деревьев увеличилась площадь питания и освещенность, из-за редкого стояния усилилась продуваемость, что способствовало снижению воздействия вредных выбросов автомобилей, суммарное содержание тяжелых металлов в листьях составило 217,0 мг/кг. Пока в данных насаждениях качество среды не достигло критического значения, но в них также наблюдается сильное антропогенное воздействие, так как происходит вытаптывание верхнего слоя почвы из-за прокладки неорганизованных троп.

Таблица 3. Интегральный показатель стабильности развития в лесных культурах Betula pendula

Вид лесных культур	Место произрастания	Интегральный показатель стабильности развития по годам
		Степень асимметричности				Значение показателя  асимметричности, балл
		2019	2020	2021	2022	2019	2020	2021	2022
Непересаженные	Высокое	0,0477	0,0508	0,0695	0,101	3	4	5	5
	Низкое	0,0509	0,0524	0,0579	0,068	4	4	5	5
Пересаженные	Высокое	0,0440	0,0508	0,0516	0,082	2	4	4	5
	Низкое	0,0469	0,0512	0,0468	0,053	3	4	3	4

Table 3. Integral indicator of development stability in Betula pendula forest crops

Type of forest crops	Tree elevation	Integral indicator of developmental stability by years
		Degree of asymmetry				Asymmetry index
		2019	2020	2021	2022	2019	2020	2021	2022
Not transplanted	High	0.0477	0.0508	0.0695	0.101	3	4	5	5
	Low	0.0509	0.0524	0.0579	0.068	4	4	5	5
Transplanted	High	0.0440	0.0508	0.0516	0.082	2	4	4	5
	Low	0.0469	0.0512	0.0468	0.053	3	4	3	4

Заключение

После гибели части пересаженных на низком местоположении культур остались наиболее устойчивые и приспособленные к агрессивным и стрессовым условиям среды деревья. Но все же на данном участке значение показателя асимметричности колеблется в пределах 3–4 баллов, что говорит о среднем и значительном напряжении состояния. Хотя до организации рекреационной зоны пересаженные деревья на высоком местоположении имели незначительное отклонение от нормы, начиная с 2020 г. они быстро теряли устойчивость и к концу исследования достигли критического состояния.

При сопоставлении оценки жизненного состояния и данных ФА листьев видно, что пересаженное насаждение на высоком местопроизрастании имело худшие показатели. Следует отметить, что сохранность пересаженных деревьев составила 37,6 %, деревья были ослабленными и сильно ослабленными. Наоборот, пересаженные деревья на низком местоположении имели достаточно большую сохранность, а в настоящее время жизненное состояние у них хотя и соответствует категории «ослабленное», но по баллам практически не отличается от непересаженных насаждений.

Поскольку состояние лесных культур березы повислой достигло критической отметки, необходимо принимать лесоводственные и иные меры по увеличению устойчивости и улучшению состояния искусственных насаждений. Необходимо проведение рубок ухода и внесение удобрений в почву, организация регулируемой дорожно-тропиночной сети, усиление контроля за отдыхающими.

Об авторах

Светлана Анатольевна Кабанова

Казахский НИИ лесного хозяйства и агролесомелиорации им. А.Н. Букейхана

Автор, ответственный за переписку.
Email: kabanova.05@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-3117-7381
SPIN-код: 3897-4757

кандидат биологических наук, доцент, заведующая отделом воспроизводства лесов и лесоразведения

021700, Республика Казахстан, г. Щучинск, ул. Кирова, д. 58

Игорь Сергеевич Кочегаров

Казахский НИИ лесного хозяйства и агролесомелиорации им. А.Н. Букейхана

Email: garik_0188@mail.ru
ORCID iD: 0000-0003-1185-5218
SPIN-код: 8313-4687

младший научный сотрудник

021700, Республика Казахстан, г. Щучинск, ул. Кирова, д. 58

Андрей Николаевич Кабанов

Казахский НИИ лесного хозяйства и агролесомелиорации им. А.Н. Букейхана; Томский государственный университет

Email: 7058613132@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-5479-3689
SPIN-код: 9628-4453

аспирант кафедры биологических наук, Национальный исследовательский Томский государственный университет; старший научный сотрудник, Казахский научно-исследовательский институт лесного хозяйства и агролесомелиорации им. А.Н. Букейхана

021700, Республика Казахстан, г. Щучинск, ул. Кирова, д. 58; 634050, Российская Федерация, г. Томск, пр. Ленина, д. 36

Матвей Анатольевич Данченко

Томский государственный университет

Email: mtd2005@sibmail.com
ORCID iD: 0000-0002-5974-9556
SPIN-код: 8209-8687

кандидат географических наук, доцент

634050, Российская Федерация, г. Томск, пр. Ленина, д. 36

Павел Федорович Шахматов

Казахский НИИ лесного хозяйства и агролесомелиорации им. А.Н. Букейхана

Email: cektop-aral@mail.ru
SPIN-код: 5473-5866
младший научный сотрудник 021700, Республика Казахстан, г. Щучинск, ул. Кирова, д. 58

Валерий Анатольевич Борцов

Казахский НИИ лесного хозяйства и агролесомелиорации им. А.Н. Букейхана

Email: bortsov_1969@mail.ru
SPIN-код: 5324-2516
младший научный сотрудник 021700, Республика Казахстан, г. Щучинск, ул. Кирова, д. 58

Сабина Артуровна Скотт

Томский государственный университет; Государственный колледж Колумбуса

Email: sscott73@cscc.edu
ORCID iD: 0000-0002-2029-8938
SPIN-код: 8377-3899

аспирант биологических наук, Национальный исследовательский Томский государственный университет; доцент микробиологических наук, Общественный колледж штата Колумбус

634050, Российская Федерация, г. Томск, пр. Ленина, д. 36; 43015, Соединенные Штаты Америки, штат Огайо, г. Колумбус, ул. Спринг, д. 550 E

Список литературы