Биомасса генеративных органов сосны обыкновенной и березы повислой в градиенте загрязнений от Карабашского медеплавильного завода на Урале

Загрязнение лесов сильно влияет на их биологическую продуктивность, но вклад генеративной сферы в нее изучается редко. Наше исследование биомассы генеративных органов деревьев и древостоев сосны обыкновенной и березы повислой проводилось в течение одного вегетационного периода в градиенте загрязнения от Карабашского медеплавильного завода на Южном Урале. Установлено, что максимальная биомасса генеративных органов сосны и березы на уровне как дерева, так и древостоя, приходится на буферную часть градиента загрязнения, в которой древостой, согласно явлению гистерезиса, переходит из одного устойчивого состояния в другое, и на эту же буферную зону приходится максимальная изменчивость биомассы генеративных органов. Полученная закономерность, общая для двух древесных видов, указывает на повышенную адаптивную реакцию массы генеративной сферы деревьев и древостоев на загрязнение в буферной зоне, и можно предположить, что это отражает хорошо известное явление гормезиса в биологии. Высказанное предположение требует углубленного изучения влияния загрязнения на генеративную сферу лесных сообществ.

1. Аникеев Д.Р. Дифференциация деревьев сосны обыкновенной по комплексу признаков женской репродуктивной системы в условиях промышленного загрязнения // Лесоведение. 1997. № 5. С. 43–50.

2. Аникеев Д.Р. Сопряженная изменчивость и наследуемость признаков женской генеративной сферы сосны обыкновенной в условиях промышленного загрязнения // Лесоведение. 2000. № 4. С. 56–62.

3. Антипов В.Г. Устойчивость древесных растений к промышленным газам. Минск: Наука и техника, 1979. 216 с.

4. Арманд А.Д., Кайдакова В.В., Кушнарева Г.В., Добродеев В.Г. Определение пределов устойчивости геосистем на примере окрестностей Мончегорского металлургического комбината // Изв. АН СССР. Сер. географич. 1991. № 1. С. 93–104.

5. Аугустайтис А.А. Закономерности роста сосновых древостоев при различном уровне загрязнения природной среды: автореф. дис. … канд. биол. наук / 03.00.16. М.: Ин-т глобального климата и экологии, 1992. 22 с.

6. Аугустайтис А.А. Особенности формирования надземной фитомассы сосновых молодняков в условиях загрязнения природной среды // Проблемы экологического мониторинга и моделирования экосистем. Т. 12. Л.: Гидрометеоиздат, 1989. С. 32–51.

7. Белобородов В.М. Ефимов Ю.П., Стебакова В.Н. Урожай шишек сосны обыкновенной на удобренных семенных плантациях // Лесоведение. 1983. № 3. С. 18–26.

8. Бреусова А.И. Влияние условий минерального питания на обмен веществ и плодоношение сосны обыкновенной // Экология лесных сообществ Северного Казахстана. Л.: Наука, 1984. С. 24–29.

9. Валетова Е.А. Влияние техногенного загрязнения на репродуктивную способность сосны обыкновенной: автореф. дис. … канд. биол. наук / 03.00.16. Барнаул: Алтайский госуниверситет, 2009. 19 с.

10. Вахнина И.Л. Изменчивость генеративных параметров Pinus sylvestris L. в условиях городского загрязнения // Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. 2014. № 9-1. С. 109–112.

11. Вахнина И.Л. Характеристика семян сосны обыкновенной в зеленой зоне г. Читы (Восточное Забайкалье) // Вестник КрасГАУ. 2009. № 8. С. 98–103.

12. Вахнина И.Л., Замана Л.В. Влияние загрязнения снегового и почвенного покровов в зеленой зоне г. Читы на всхожесть и прорастание семян сосны обыкновенной // Лесоведение. 2013. № 2. С. 38–44.

13. Воробейчик Е.Л., Хантемирова Е.В. Реакция лесных фитоценозов на техногенное загрязнение: зависимость «доза-эффект» // Экология. 1994. № 3. С. 31–43.

14. Воробьев В.Н. Биологические основы комплексного использования кедровых лесов. Новосибирск: Наука, 1983. 254 с.

15. Воробьев В.Н. Метод ретроспективного изучения динамики семеношения Pinus sibirica Du Tour // Ботанический журнал. 1979. Т. 64, № 7. С. 971–974.

16. Габеев В.Н. Биологическая продуктивность лесов Приобья. Новосибирск: Наука, 1976. 171 с.

17. Дзугаев М.Д. Карабаш – город «экологического бедствия» // Вестник Челябинского университета. Сер. 9. Право. 2003. №. 2. С. 92–97.

18. Жуйкова Т.В., Безель В.С. Экологическая токсикология. М.: Юрайт, 2018. 362 с.

19. Завьялов К.Е. Состояние искусственных насаждений березы повислой (Betula pendula Roth) в условиях магнезитового загрязнения: автореф. дис. … канд. с.-х. наук / 06.03.03. Екатеринбург: УГЛТУ, 2009. 16 с.

20. Зарубина И.А. Оценка состояния культур сосны обыкновенной (Pinus sylvestris L.) в условиях аэротехногенного загрязнения (Усть-Илимский район Иркутской области): автореф. дис. … канд. с.-х. наук / 06.03.01. Красноярск: СибГТУ, 2011. 17 с.

21. Зверев В.Е. Влияние промышленного загрязнения на экологию березы Черепанова (Betula pubescens ssp. czerepanovii (Orlova) Hamet-Ahti) на Кольском полуострове: автореф. дис. … канд. биол. наук / 03.02.08. Екатеринбург: ИЭРиЖ УрО РАН, 2012. 19 с.

22. Зенкова Е.Л., Казанцева М.Н. Влияние техногенного загрязнения города Тюмени на репродуктивную способность сосны обыкновенной (Pinus sylvestris L.) // Урбоэкосистемы и перспективы развития: матер. Междунар. науч.-практ. конф. Ишим, 2008. С. 59–62.

23. Ибрагимова Э.Э. Влияние техногенного загрязнения на жизнеспособность женских генеративных органов и качество семян Pinus sylvestris L. // Ученые записки Таврического национального университета им. В. И. Вернадского. Серия «Биология, химия». 2010. Т. 23, № 2. С. 89–95.

24. Карасева М.А. Рост, семеношение и качество семян лиственницы сибирской в Среднем Поволжье // Лесное хозяйство. 2001. № 3. С. 44–45.

25. Колесников Б.П. Лесорастительные условия и лесорастительное районирование Челябинской области // Вопросы восстановления и повышения продуктивности лесов Челябинской области: тр. Ин-та биологии УФАН СССР. Вып. 26. Свердловск, 1961. С. 3–44.

26. Кончина Т.А., Гусева М.В. Изучение влияния техногенного воздействия на семенную продуктивность растений // Молодой ученый. 2014. № 21.1 (80.1). С. 275–279.

27. Коротеева Е.В., Вейсберг Е.И., Куянцева Н.Б. Оценка состояния лесной ценофлоры в зоне воздействия Карабашского медеплавильного комбината (Южный Урал) // Известия Самарского НЦ РАН. 2011. Т. 13, № 1 (4). С. 1005–1011.

28. Коршиков И.И. Устойчивость растений к техногенным загрязнителям окружающей среды // Промышленная ботаника. 2004. Вып. 4. С. 46–57.

29. Коршиков И.И., Лаптева Е.В., Литвиненко Ю.С. Морфологические изменения пыльцы сосны крымской (Pinus Pallasiana D. DON) в интродукционных насаждениях техногенно загрязненных территорий // Промышленная ботаника. 2014. № 14. С. 61–68.

30. Легощина О.М. Адаптивные реакции и фитоиндикационная способность древесных растений в условиях техногенного загрязнения: автореф. дис. … канд. биол. наук / 03.02.08. Томск: Нац. исслед. Том. гос. ун-т, 2018. 24 с.

31. Ляхова Н.П., Мосин В.И. Стимуляция плодоношения сосны обыкновенной на лесосеменных участках // Экология лесных сообществ Северного Казахстана. Л.: Наука, 1984. С. 102–105.

32. Мохначев П.Е., Махнева С.Г., Менщиков С.Л., Завьялов К.Е., Кузьмина Н.А., Потапенко А.М. Посевные качества семян сосны обыкновенной в условиях аэротехногенных выбросов магнезитового производства // Леса России и хозяйство в них. 2016. № 4 (59). С. 42–48.

33. Носкова Н.Е., Третьякова И.Н. Влияние стресса на репродуктивные способности сосны обыкновенной // Хвойные бореальной зоны. 2006. № 3. С. 54–63.

34. Осколков В.А. Качество пыльцы сосны обыкновенной в древостоях Приангарья при разном уровне загрязнения // Лесоведение. 1999. № 2. С. 16–21.

35. Павлов И.Н. Динамика посевных качеств семян Larix sibirica Ledeb. в насаждениях юга Сибири с 1936 по 2000 гг. // Хвойные бореальной зоны. 2003. № 1. С. 14–21.

36. Паничева Д.М. Гаметофитная сохранность семязачатков сосны обыкновенной при хроническом воздействии щелочных промвыбросов // Проблемы лесоведения и лесоводства: сб. науч. тр. Гомель, 2005. Вып. 63. С. 228–230.

37. Подзоров Н.В. Влияние задымления воздуха на качество семян сосны обыкновенной // Лесное хозяйство. 1965. № 7. С. 47–49.

38. Поташева Ю.И. Состояние сосновых насаждений в условиях автотранспортного загрязнения: автореф. дис. … канд. с.-х. наук / 06.03.01; 06.03.03. Архангельск: АГТУ, 2008. 20 с.

39. Сидаравичюс Й.М. Анализ фитомассы и морфоструктуры крон сосновых древостоев при атмосферном загрязнении природной среды // Исследование и моделирование роста лесных насаждений, произрастающих в условиях загрязненной природной среды: сб. науч. тр. Каунас: ЛитСХА, 1987. С. 45–55.

40. Ставрова Н.И. Влияние атмосферного загрязнения на семеношение хвойных пород // Лесные экосистемы и атмосферное загрязнение: сб. науч. тр. / под ред. В.А. Алексеева. Л.: Наука, 1990. С. 115–121.

41. Тарханов С.Н. Состояние лесных экосистем в условиях атмосферного загрязнения на европейском Севере: автореф. дис. … д-ра биол. наук / 03.02.08. Сыктывкар: Институт биологии Коми научного центра УрО РАН, 2011. 40 с.

42. Усольцев В.А., Бергман И.Е., Воробейчик Е.Л., Азарёнок В.А., Крюк В.И., Луганский Н.А. Биологическая продуктивность лесных земель Урала, нарушенных промышленными загрязнениями // Биологическая рекультивация нарушенных земель: матер. Х Всерос. науч. конф. с междунар. участием. Екатеринбург, 4–7 сентября 2017 г. Екатеринбург: УГЛТУ, 2017. С. 313–319.

43. Усольцев В.А., Воробейчик Е.Л., Бергман И.Е. Биологическая продуктивность лесов Урала в условиях техногенного загрязнения: Исследование системы связей и закономерностей. Екатеринбург: УГЛТУ, 2012. 365 с.

44. Федорков А.Л. Влияние аэротехногенных загрязнений на сохранность семяпочек и развитие зародыша сосны обыкновенной // Лесоведение. 1994. № 5. С. 36–40.

45. Федотов И.С., Карабань Р.Т., Тихомиров Ф.А., Сисигина Т.И. Оценка действия двуокиси серы на сосновые насаждения // Лесоведение. 1983. № 6. С. 23–27.

46. Феклистов П.А., Тутыгин Г.С., Дрожжин Д.П. Состояние сосновых древостоев в условиях аэротехногенного загрязнения атмосферы. Архангельск: АГТУ, 2005. 132 с.

47. Храмова Н.Ф., Храмов А.А. Семенная продуктивность и фитомасса кедра сибирского // Биология семенного размножения хвойных Западной Сибири. Новосибирск: Наука, 1974. С. 95–105.

48. Ярмишко В.Т. Сосна обыкновенная и атмосферное загрязнение на Европейском Севере. СПб.: НИИХимии СПбГУ, 1997. 210 с.

49. Agalakova N.I., Gusev G.P. Effect of inorganic fluoride on living organisms of different phylogenetic level. Journal of Evolutionary Biochemistry and Physiology, 2011, vol. 47, is. 5, pp. 393—406. (Original Russian Text published in Zhurnal Evolyutsionnoi Biokhimii i Fiziologii, 2011, vol. 47, is. 5, pp. 337—347).

50. Ahlström T. Life‐history theory, past human populations and climatic perturbations // International Journal of Osteoarchaeology, 2011, vol. 21, is. 4, pp. 407–419.

51. Barker J.R., Tingey D.T. Air pollution effects on biodiversity. Springer: Science & Business Media, 2012. 322 p.

52. Calabrese E.J., Blain R.B. Hormesis and plant biology. Environmental pollution, 2009, vol. 157, pp. 42–48.

53. Calabrese E.J. Hormesis: why it is important to toxicology and toxicologists. Environmental Toxicology and Chemistry, 2008, vol. 27, pp. 1451–1474.

54. Cedergreen N., Streibig J.C., Kudsk P., Mathiassen S.K., Duke S.O. The occurrence of hormesis in plants and algae. Dose-Response, 2007, vol. 5, pp. 150–162.

55. Cox R.M. Air pollution effects on plant reproductive processes and possible consequences to their population biology. In: Barker J.R., Tingey D.T. (eds.). Air pollution effects on biodiversity. Springer: Boston, 1992, pp. 131–158.

56. Erofeeva E.A. Dependence of drooping birch (Betula pendula) and lime tree (Tilia cordata) relative seed production as a new seed production index on the intensity of motor traffic pollution. Advances in Environmental Biology. 2014, vol. 8, is. 13, pp. 282–286.

57. Grime J.P. Plant strategies and vegetation processes. New York: John Wiley, USA, 1979. 222 p.

58. Hemborg A.M., Karlsson P.S. Somatic costs of reproduction in eight subarctic plant species. Oikos, 1998, vol. 82, pp. 149–157.

59. Holmsgaard F., Olsen H.C. Vejrets intlydelse pa bøgens frugtsaetning. Det. forstl. Forsøgsvaesen i Danmark. 1960, vol. 26, pp. 347–370.

60. Houston D.B., Dochinger L.S. Effect of ambient air pollution on cone seed and pollen characteristics in Eastern white and red pines. Environmental Pollution, 1977, vol. 12, pp. 1–5.

61. Keller T., Beda H. Effect of SO2 on the germination of conifer pollen. Environmental Pollution, 1984, vol. 33, no. 3, pp. 237–243.

62. Khamidullin A., Kotov S., Vorob’ev V. Integrated effect of atmosphere pollution and cutting on seed production of dandelion (Taraxacum officinale Wigg.) urban populations. International Journal of Pharmacy & Technology, 2016, vol. 8, is. 2, pp. 14634–14642.

63. Korshikov I.I., Lapteva H.V., Belonozhko Yu.A. Quality of pollen and cytogenetic changes of Scotch pine as indicators of the impact of the technogenically polluted environment of Krivoy Rog. Contemporary Problems of Ecology, 2015, vol. 8, is. 2, pp. 250–255.

64. Kozlov M.V., Zvereva E.L. Reproduction of mountain birch along a strong pollution gradient near Monchegorsk, Northwestern Russia. Environmental Pollution, 2004, vol. 132, pp. 443–451.

65. Kozlowski T.T., Keller T. Food relations of woody plants. The Botanical Review, 1966, vol. 32, is. 4, pp. 293–382.

66. Kramer P.J., Kozlowski T.T. Physiology of woody plants. New York: Academic Press, Inc. 1979. 811 p.

67. Kumari N. Effects of pollutants on seed germinability, reproductive capacity and yield of mustard plant. International Journal of Chemical Studies, 2018, special is. 4, pp. 96–98.

68. Marthandan V., Bhavyasree R.K., Vinothini N., Tamilarasan C. Impact of polluting agents on seed quality. Journal of Pharmacognosy and Phytochemistry, 2018, vol. 7, is. 6, pp. 2728–2732.

69. Ovington J.D., Murray G. Determination of acorn fall. Quarterly Journal of Forestry, 1964, vol. 58, pp. 152–159.

70. Palumets Ya.K. Modeling of the distribution of spruce phytomass. Soviet Forest Sciences, 1990, is. 3, pp. 36–40. Translated from Lesovedenie, 1990, is. 3, pp. 43–48.

71. Pollard A.S., Williamson B.J., Taylor M., Purvis W.O., Goossens M., Reis S., Aminov P., Udachin V., Osborne N.J. Integrating dispersion modelling and lichen sampling to assess harmful heavy metal pollution around the Karabash copper smelter, Russian Federation. Atmospheric Pollution Research, 2015, vol. 6, is. 6, pp. 939–945.

72. Reznik D. Costs of reproduction: an evaluation of the empirical evidence. Oikos, 1985, vol. 44, pp. 257–267.

73. Rosati A., Paoletti A., Al Hariri R., Morelli A., Famiani F. Resource investments in reproductive growth proportionately limit investments in whole-tree vegetative growth in young olive trees with varying crop loads. Tree Physiology, 2018, vol. 38, pp. 1267–1277.

74. Saleem B.A., Malik A.U., Pervez M.A., Khan A.S. Growth regulators application affects vegetative and reproductive behaviour of 'blood red' sweet orange. Pakistan Journal of Botany, 2008, vol. 40, is. 5, pp. 2115–2125.

75. Sidhu S.S., Staniforth R.J. Effects of atmospheric fluorides on foliage, and cone and seed production in balsam fir, black spruce, and larch. Canadian Journal of Botany, 1986, vol. 64, is. 5, pp. 923–931.

76. Solntseva M.P., Glazunova K.P. Influence of industrial and traffic pollution on reproduction of spermatophytes. Zhurnal Obshcheĭ Biologii, 2010, vol. 71, is. 2, pp. 163–175.

77. Tote C., Delalieux S., Goossens M., Williamson B.J., Swinnen E. Monitoring environmental health using spot-vegetation-derived and field-measured spectral indices in Karabash, Russia. International Journal of Remote Sensing, 2014, vol. 35, is. 7, pp. 2516–2533.

78. Tretyakova I.N., Noskova N.E. Scotch pine pollen under conditions of environmental stress. Russian Journal of Ecology, 2004, vol. 35, is. 1, pp. 20–26. Translated from Ekologiya, 2004, is. 1, pp. 26–33.

79. Tuomi J., Hakala T., Haukioja E. Alternative concepts of reproductive effort, cost of reproduction and selection in lifehistory evolution. American Zoologist, 1983, vol. 23, pp. 25–34.

80. Usoltsev V.A., Vorobeichik E.L., Bornikov A.V., Zhanabayeva A.S. Biological productivity of forests near the Ural copper smelters. In: Boreal Forests in a Changing World: Challenges and Needs for Actions. Proceedings of 15th IBFRA International Science Conference. August 15–21 2011. Krasnoyarsk, V.N. Sukachev Institute of Forest SB RAS, 2011, pp. 193–197. URL: http://ibfra.org/documents/IBFRA_proceedings_2011.pdf

81. Venne H., Scholz F., Vornweg A. Effects of air pollutants on reproductive processes of poplar (Populus spp.) and Scots pine (Pinus sylvestris L.). In: Genetic effects of air pollutants in forest tree populations. F. Scholz, H.-R. Gregorius and D. Rudin (eds.). Springer-Verlag, Berlin, Heidelbergm, 1989, pp. 89–103.

82. Vitzthum V. Evolutionary models of women's reproductive functioning. Annual Review of Anthropology, 2008, vol. 37, pp. 53–73.

83. Wesołowski T., Rowinski P., Maziarz M. Interannual variation in tree seed production in a primeval temperate forest: does masting prevail? European Journal of Forest Research, 2015, vol. 134, pp. 99–112.

84. Williamson B.J., Purvis O.W., Mikhailova I.N., Spiro B., Udachin V. The lichen transplant methodology in the source apportionment of metal deposition around a copper smelter in the former mining town of Karabash, Russia. Environmental Monitoring and Assessment, 2008, vol. 141, pp. 227–236.

85. Wolters J.H.B., Martens M.J.M. Effects of air pollutants on pollen. The Botanical Review, 1987, vol. 53, pp. 372–414.

86. Zhuikova T.V., Bezel’ V.S., Pozolotina V.N., Severyukhina O.A. The reproductive capacity of plants in gradient of chemical environmental pollution. Russian Journal of Ecology, 2002, vol. 33, is. 6, pp. 407–412.

87. Zvereva E.L, Roitto M., Kozlov M.V. Growth and reproduction of vascular plants in polluted environments: a synthesis of existing knowledge. Environmental review, 2010, vol. 18, pp. 355–367.