Тропосферный озон и его влияние на ранние этапы роста и развития сосны и ели разного географического происхождения

УДК

630*181:[674.032.475.4/.7]

DOI:

10.17238/issn0536-1036.2015.3.9

Аннотация

Все возрастающее воздействие человека на природу привело к увеличению содержания в атмосфере Земли парниковых газов, изменяющих энергетический баланс в экосистемах. Цель данной работы – исследовать на ранних этапах развития реакцию сеянцев сосны и ели происхождением из разных регионов европейской части России на воздействие повышенной концентрации приземного озона. Эксперимент проводили в течение двух вегетационных сезонов в ботаническом саду Университета г. Куопио (Финляндия) на 4 контрольных площадях и 4 открытых фумигационных площадках, где концентрация озона превышала естественную в 1,4 раза. Исследования показали, что повышение концентрации озона в приземном слое атмосферы вызывает снижение количества проросших семян у сосны обыкновенной, у ели этот показатель под воздействием озона статистически достоверно не изменялся. Были выявлены статистически значимые различия длины побегов у сосны и ели разного географического происхождения. Накопление сухой массы хвои под воздействием озона снижалось у наиболее северных популяций сосны. У ели статистически значимых изменений в накоплении биомассы хвои, корней и побегов не происходило, но отмечался тренд к увеличению содержания абсолютно сухой массы, за исключением северной популяции (ель сибирская) из Пинежского района Архангельской области. Повышение концентрации озона статистически значимо не повиляло на длину хвои как сосны, так и ели всех изученных нами географических происхождений, что подтверждает сделанный нами ранее вывод о стабильности этого показателя и при воздействии других воздушных поллютантов. Нами установлено, что потомства популяций сосны обыкновенной (Pinus sylvestris L.) более чувствительны к воздействию озона, чем потомства популяций ели (Picea spp.). Данные свидетельствуют о том, что возрастающая концентрация приземного атмосферного озона может нарушать процессы прорастания семян, рост сеянцев сосны и ели и иметь большие негативные последствия для лесовозобновления в будущем.

Сведения об авторах

© Н.А. Прожерина, канд. биол. наук, ст. науч. сотр.

Институт экологических проблем Севера УрО РАН, наб. Северной Двины, 23, г. Архангельск, Россия, 163000; e-mail: pronad1@yandex.ru

Ключевые слова

тропосферный озон, сосна, ель, географическое происхождение, ростовые процессы

Литература

1. Белоглазов М.И., Карпечко А.Ю., Никулин Г.Н., Ролдугин В.К., Румянцев С.А. О некоторых экологических аспектах проблемы атмосферного озона по результатам измерений на Кольском полуострове // Материалы конф. «Природопользование в Евро-Арктическом регионе: опыт ХХ века и перспективы», Апатиты, 2–4 ноября 2000 г. Апатиты: КНЦ РАН, 2001. С. 184–192.

2. Грушко Я.М. Вредные неорганические соединения в промышленных выбросах в атмосферу: справ. Л.: Химия, 1987. 207 с.

3. Панкратова Н.В., Еланский Н.Ф., Беликов И.Б., Лаврова О.В., Скороход А.И., Шумский Р.А. Озон и окислы азота в приземном воздухе северной Евразии по наблюдениям в экспериментах TROICA // Изв. РАН. Физика атмосферы и океана. 2011.
Т. 47, № 3. С. 343–358.

4. Рекомендации ВОЗ по качеству воздуха, касающиеся твердых частиц, озона, двуокиси азота и двуокиси серы. Глобальные обновленные данные 2005 года. 2006. 31 с.

5. Руководство по методам и критериям согласованного отбора проб, оценки, мониторинга и анализа влияния загрязнения воздуха на леса. Ч. Х. Мониторинг качества воздуха // Экономическая комиссия ООН для Европы. 2000. 28 с.

6. Тарханов С.Н., Прожерина Н.А., Коновалов В.Н. Лесные экосистемы бассейна Северной Двины в условиях атмосферного загрязнения: диагностика состояния. Екатеринбург: УрО РАН, 2004. 333 с.

7. Ashmore M.R. Assessing the future global impacts of ozone on vegetation // Plant, Cell and Environment. 2005. Vol. 28. P. 949–964.

8. Darbah J.N.T., Kubiske M., Nelson N., Oksanen E., Vapaavuori E., Karnosky D.F. Effects of decadal exposure to interacting elevated CO₂ and/or O₃ on paper birch (Betula papyrifera) reproduction // Environmental Pollution. 2008. Vol. 155. P. 446–452.

9. Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC). Technical summary. Climate change 2007: The physical science basis // Cambridge University Press. 996 p.

10. Karlsson P.E., Braun S., Broadmeadow M., Elvira S., Emberson L., Gimeno B.S., Le Thiec D., Novak K., Oksanen E., Schaub M., Uddling J., Wilkinson M. Risk assessments for forest trees: The performance of the ozone flux versus the AOT concepts // Environmental Pollution. 2007. Vol. 146. P. 608–616.

11. Karnosky D.F., Werner H., Holopainen T., Percy K., Oksanen T., Oksanen E., Heerdt C., Fabian P., Nagy J., Heilman W., Cox R., Nelson N., Matyssek R. Free-air exposure systems to scale up ozone research to mature trees. Review Article// Plant Biology. 2007. Vol. 9. P. 181–190.

12. Manninen S., Siivonen N., Timonen U., Huttunen S. Differences in ozone response between two Finnish wild strawberry populations // Environmental and Experimental Botany. 2003. Vol. 49. P. 29–39.

13. Oksanen E. Responses of selected birch (Betula pendula) clones to ozone change over time // Plant, Cell and Environment. 2003. Vol. 26. P. 875–886.

14. Overmyer K., Kollist H., Tuominen H., Betz C., Langebartels C., Wingsle G., Kangasjärvi S., Brader G., Mullineaux P., Kangasjärvi J. Complex phenotypic profiles leading to ozone sensitivity in Arabidopsis thaliana mutants // Plant, Cell and Environment 2008. Vol. 31. P. 1237–1249.

15. Prozherina N., Freiwald V., Rousi M., Oksanen E. Interactive effect of springtime frost and elevated ozone on early growth, foliar injures and leaf structure of birch (Betula pendula Roth) // New Phytologist. 2003. Vol. 159. P. 623–636.

16. UNECE. Mapping critical levels for vegetation. Chapter 3: Manual on methodologies and criteria for modelling and mapping critical loads and levels and air pollution effects, risks and trends. Umweltbundesamt. Berlin. Germany, 2004. 266 р.

17. Utriainen J. and Holopainen T. Nitrogen availability modifies the ozone responses of Scots pine seedlings exposed in an open-field system // Tree Physiology. 2001.
Vol. 21. P. 1205–1213.

18. Violleau F., Hadjeba K., Albet J., Cazalis R., Surel O. Effect of oxidative treatment on corn seed germination kinetics // Ozone: Science & Engineering. 2008. Vol. 30. P. 418–422.

19. Wittig V.E., Ainsworth E.A., Naidu S.L., Karnosky D.F., Long S.P. Quantifying the impact of current and future tropospheric ozone on tree biomass, growth, physiology and biochemistry: a quantitative meta-analysis // Global Change Biology. 2009. Vol. 15. P. 396–424.

Ссылка на английскую версию:

Tropospheric Ozone and Its Impact on the Early Growth and Development of Scots Pine and Spruce of Different Geographical Origins

UDC 630.181:[674.032.475.4/.7]

Tropospheric Ozone and Its Impact on the Early Growth and Development
of Scots Pine and Spruce of Different Geographical Origins

N.A. Prozherina, Candidate of Biology, Senior Researcher

Institute of Ecological Problems of the North, Ural Branch of Russian Academy
of Sciences, Naberezhnaya Severnoy Dviny, 23, Arkhangelsk, 163000, Russia;
e-mail: pronad1@yandex.ru

The increasing human impact on environment has led to increasing greenhouse gases concentrations in the Earth atmosphere and changing the energy balance in the ecosystems. The aim of this study to investigate reaction of pine and spruce seedlings, originating from different regions of the European part of Russia on the effects of elevated concentrations of ground-level ozone on the early stages of the development of conifers. The experiment was conducted over two growing seasons in the Botanical Garden of the Kuopio University, Finland, on 4 control fields and 4 ozone fields. In ozone fields gas concentrations exceed the ambient in 1.4 times. Increasing ozone concentration in the atmospheric surface layer caused a decrease in the amount of germinated seeds, especially for Scots pine. Amount of germinated seeds of spruce under the ozone influence significantly did not change. Statistically significant differences of shoots length between the different geographical pine and spruce origins were found. The needles dry mass accumulation under ozone exposure was decreased mainly in the northern pine populations. Statistically significant changes in the spruce accumulation of needles, roots and shoots biomass did not found. However we observed trend to dry weight increasing in the all origins, except in the most northern population from the Pinega, the Arkhangelsk region. Elevated ozone concentrations did not significantly change pine and spruce needle length in all studied geographical origins. This is confirms our previous conclusion about the stability of this parameter under the impact of other air pollutants. Scots pine (Pinus sylvestris L.) populations are more sensitive to ozone than of the Spruce (Picea spp.) populations. Elevating ozone in the atmospheric ground-level can destroy the germination of seeds and growth of Pine and Spruce seedlings. This can have large negative consequences on conifers regeneration in the future.

Keywords: troposheric ozone, Scots pine, spruce, geographical origins, growth.

REFERENCES

1. Beloglazov M.I., Karpechko A.Yu., Nikulin G.N., Roldugin V.K., Rumyantsev S.A. O nekotorykh ekologicheskikh aspektakh problemy atmosfernogo ozona po rezul'tatam izmereniy na Kol'skom poluostrove [Some Ecological Aspects of the Problem of Atmospheric Ozone Measured in the Kola Peninsula]. Prirodopol'zovanie v Evro-Arkticheskom regione opyt XX veka i perspektivy [Nature in the Euro-Arctic Region, Experiences of the Twentieth Century and Prospects: Proc.Conf.]. Apatity, 2000, pp. 184–192.

2. Grushko Ya.M. Vrednye neorganicheskie soedineniya v promyshlennykh vybrosakh v atmosferu [Harmful Inorganic Compounds in Industrial Emissions into the Atmosphere]. Leningrad, 1987. 207 p.

3. Pankratova N.V., Elanskiy N.F., Belikov I.B., Lavrova O.V., Skorokhod A.I., Shumskiy R.A. Ozon i okisly azota v prizemnom vozdukhe severnoy Evrazii po nablyudeniyam v eksperimentakh TROICA [Ozone and Nitrogen Oxides in the Ground Level in Northern Eurasia by the Observations in the Experiments TROICA]. Fizika atmosfery i okeana, 2011, vol. 47, no. 3, pp. 343–358.

4. Rekomendatsii VOZ po kachestvu vozdukha, kasayushchiesya tverdykh chastits, ozona, dvuokisi azota i dvuokisi sery. Global'nye obnovlennye dannye 2005 god [WHO Guidelines on Air Quality Related to Particulate Matter, Ozone, Nitrogen Dioxide and Sulfur Dioxide. Global Update 2005]. 2006. 31 p.

5. Rukovodstvo po metodam i kriteriyam soglasovannogo otbora prob, otsenki, monitoringa i analiza vliyaniya zagryazneniya vozdukha na lesa. [Procedures and Criteria for Harmonized Sampling, Assessment , Monitoring and Analysis of the Impact of Air Pollution on Forests]. Monitoring kachestva vozdukha [Ambient Air Quality Monitoring]. 2000. 28 p.

6. Tarkhanov S.N., Prozherina N.A., Konovalov V.N. Lesnye ekosistemy basseyna Severnoy Dviny v usloviyakh atmosfernogo zagryazneniya: diagnostika sostoyaniya [Forest Ecosystems of the Northern Dvina Basin Under Atmospheric Pollution: Diagnosis of the State]. Ekaterinburg, 2004. 333 p.

7. Ashmore M.R. Assessing the future global impacts of ozone on vegetation. Plant, Cell and Environment, 2005, Vol. 28, pp. 949–964.

8. Darbah J.N.T., Kubiske M., Nelson N., Oksanen E., Vapaavuori E., Karnosky D.F. Effects of decadal exposure to interacting elevated CO₂ and/or O₃ on paper birch (Betula papyrifera) reproduction. Environmental Pollution, 2008, Vol. 155, pp. 446–452.

9. Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC). Technical summary. Climate change 2007: The physical science basis. Cambridge University Press. 996 p.

10. Karlsson P.E., Braun S., Broadmeadow M., Elvira S., Emberson L., Gimeno B.S., Le Thiec D., Novak K., Oksanen E., Schaub M., Uddling J., Wilkinson M. Risk assessments for forest trees: The performance of the ozone flux versus the AOT concepts. Environmental Pollution, 2007, Vol. 146, pp. 608–616.

11. Karnosky D.F., Werner H., Holopainen T., Percy K., Oksanen T., Oksanen E., Heerdt C., Fabian P., Nagy J., Heilman W., Cox R., Nelson N., Matyssek R. Free-air exposure systems to scale up ozone research to mature trees. Review Article. Plant Biology, 2007, Vol. 9, pp. 181–190.

12. Manninen S., Siivonen N., Timonen U., Huttunen S. Differences in ozone response between two Finnish wild strawberry populations. Environmental and Experimental Botany, 2003, Vol. 49, pp. 29–39.

13. Oksanen E. Responses of selected birch (Betula pendula) clones to ozone change over time. Plant, Cell and Environment, 2003, Vol. 26, pp. 875–886.

14. Overmyer K., Kollist H., Tuominen H., Betz C., Langebartels C., Wingsle G., Kangasjärvi S., Brader G., Mullineaux P., Kangasjärvi J. Complex phenotypic profiles leading to ozone sensitivity in Arabidopsis thaliana mutants. Plant, Cell and Environment, 2008, Vol. 31, pp. 1237–1249.

15. Prozherina N., Freiwald V., Rousi M., Oksanen E. Interactive effect of springtime frost and elevated ozone on early growth, foliar injures and leaf structure of birch (Betula pendula Roth). New Phytologist, 2003, Vol. 159, pp. 623–636.

16. UNECE. Mapping critical levels for vegetation. Chapter 3: Manual on methodologies and criteria for modelling and mapping critical loads and levels and air pollution effects, risks and trends. 2004. Umweltbundesamt. Berlin. Germany. 266 р.

17. Utriainen J. and Holopainen T. Nitrogen availability modifies the ozone responses of Scots pine seedlings exposed in an open-field system. Tree Physiology, 2001, Vol. 21, pp. 1205–1213.

18. Violleau F., Hadjeba K., Albet J., Cazalis R., Surel O. Effect of oxidative treatment on corn seed germination kinetics. Ozone: Science & Engineering, 2008, Vol. 30, pp. 418–422.

19. Wittig V.E., Ainsworth E.A., Naidu S.L., Karnosky D.F., Long S.P. Quantifying the impact of current and future tropospheric ozone on tree biomass, growth, physiology and biochemistry: a quantitative meta-analysis. Global Change Biology, 2009, Vol. 15, pp. 396–424.

Received on February 5, 2014