авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ БИБЛИОТЕКА РОССИИ

КОНФЕРЕНЦИИ, КНИГИ, ПОСОБИЯ, НАУЧНЫЕ ИЗДАНИЯ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Pages:   || 2 | 3 | 4 | 5 |
-- [ Страница 1 ] --

БРАТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

ЧЖАН СВЕТЛАНА АНАТОЛЬЕВНА

ЛЕСОВОДСТВЕННАЯ ОЦЕНКА СОСТОЯНИЯ СОСНОВЫХ

НАСАЖДЕНИЙ В УСЛОВИЯХ ДЛИТЕЛЬНОГО ТЕХНОГЕННОГО

ЗАГРЯЗНЕНИЯ

Специальность 06.03.02 – Лесоведение, лесоводство, лесоустройство и

лесная таксация

Диссертация

на соискание ученой степени доктора сельскохозяйственных наук

Научный консультант:

Доктор сельскохозяйственных наук, профессор Рунова Елена Михайловна 2 СОДЕРЖАНИЕ ВВЕДЕНИЕ 1. СОСТОЯНИЕ ИЗУЧАЕМОГО ВОПРОСА 1.1. Лесные экосистемы в условиях техногенеза 1.2. Естественные и антропогенные источники тяжелых металлов в биосфере 1.3. Особенности аккумуляции тяжелых металлов растениями 1.4. Реакция растений на действие загрязняющих веществ 1.5. Картографическое отображение качественной и количественной оценки состояния лесов 1.5.1 Анализ существующих схем зонирования г. Братска 1.6. Выводы 2. ПРОГРАММА, МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ И ОБЪЁМ ВЫПОЛНЕННЫХ РАБОТ 2.1. Программа исследований 2.2. Методика исследований 2.3. Объем исследований 3. ХАРАКТЕРИСТИКА ОБЪЕКТА ИССЛЕДОВАНИЯ 3.1 Лесорастительное районирование 3.2 Климатические и метеорологические характеристики 3.3 Характеристика промышленности и выбросов 3.4 Почвенные условия 3.5. Выводы 4. КОМПЛЕКСНАЯ ОЦЕНКА СОСТОЯНИЯ СОСНОВЫХ НАСАЖДЕНИЙ 4.1. Анализ экологической структуры древостоев 4.2.Моделирование процессов развития и деградации лесных экосистем 4.3. Исследование состояния сосновых древостоев 2-ой генерации 4.4 Исследование состояния хвои древесных пород 4.5 Изменение средних таксационных показателей 4.6 Математические зависимости между таксационными показателями 4.7 Устойчивость древостоев различного возраста к токсикантам 4.8 Взаимосвязь баллов категории состояния и классов Крафта 4.9 Влияние длительного действия промышленного загрязнения на радиальный прирост деревьев 4.10 Особенности распределения влаги в стволах деревьев, в зонах длительного техногенного воздействия 4.11 Мощность лесной подстилки сосновых насаждений, в условиях длительного техногенного пресса 4.12. Особенности естественного возобновления в зонах антропогенного загрязнения 4.





13. Состояние подлеска по зонам загрязнения 4.13 Выводы 5. ЗОНИРОВАНИЕ ЛЕСНЫХ ЭКОСИСТЕМ ПОДВЕРЖЕННЫХ ВОЗДЕЙСТВИЮ ПРОМЫШЛЕННЫХ ВЫБРОСОВ 5.1 Предлагаемая схема зонирования лесов поврежденных промвыбросами 5.2 Выводы 6. МЕРОПРИЯТИЯ ПО ВЕДЕНИЮ ЛЕСНОГО ХОЗЯЙСТВА В НАРУШЕННЫХ ЛЕСНЫХ ФИТОЦЕНОЗАХ ЗАКЛЮЧЕНИЕ СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ ВВЕДЕНИЕ Актуальность темы исследований. Проблема охраны окружающей среды в связи с изменением объема техногенных выбросов в атмосферу с каждым годом становится все более актуальной. Несмотря на существенную научную проработку проблемы взаимодействия лесных экосистем и атмосферных загрязнителей, остались не до конца выясненными закономерности пространственного распределения выбрасываемых химических компонентов в различных элементах лесных экосистем, вопросы оценки степени загрязнения лесов многокомпонентными выбросами и связи состояния насаждений с уровнем снижения содержания техногенных веществ. В конце 90-х годов в связи со значительным спадом производственных мощностей на промышленных предприятиях появляются научно-исследовательские работы о динамике растительных сообществ после прекращения или частичного и значимого снижения техногенного давления [Черненькова, 2002;

Залесов и др., 2002;

Ганичева и др., 2004]. Однако очень мало исследований по влиянию длительного воздействия техногенного пресса на динамику состояния лесов.

В сложившейся ситуации требуется определение состояния лесов, выявление критериев и индикаторов диагностики жизнестойкости деревьев и древостоев, система комплексного мониторинга лесов, включающая не только наблюдения за биологической составляющей, но и факторами техногенного воздействия. В связи с этим проблема комплексной оценки состояния лесных экосистем вокруг города Братска, подверженных длительному техногенному воздействию является актуальной.

Степень разработанности темы исследования. Проблема промышленных эмиссий и повышения устойчивости лесов к техногенному загрязнению рассматривалась многими отечественными учеными, среди них В.А. Алексеев, В.А. Аникеева, Л.Г. Бабушкина, Л.И. Бельчинская, А.А Боабатунов, М.В.

Волкова, Н.В. Выводцев, В.Н. Габеев, С.Н. Ганичева, М.Л. Гитарский, Ю.С.

Григорьев, Н.Д.Давыдова, А.М. Данченко, Н.И. Данилов, А.В.Дончева, С.В.

Залесов, О.Н.Зубарева, Г.М. Илькун, О.А. Катаев, А.Ю. Кулагин, Н.В. Лукина, И.В.Лянгузова, А.А. Мартынюк, Т.А. Михайлова, Б.Н. Норин, Е.Г. Парамонов, И.Н. Павлов, А.А. Рожков, А.С. Рожков, Е.М. Рунова, С.А. Сергейчик, В.А.

Соколов, В.А. Усольцев, В.Ф. Цветков, Т.В.Черненькова, В.Т. Ярмишко и др.

Однако, несмотря на существенную научную проработку проблемы взаимодействия лесных экосистем и атмосферных загрязнителей, остались не до конца выясненными закономерности пространственного распределения выбрасываемых химических компонентов в различных элементах лесных экосистем, вопросы оценки степени загрязнения лесов многокомпонентными выбросами и связи состояния насаждений с уровнем содержания техногенных веществ.

Цель и задачи исследований. Цель исследований - установление закономерностей лесоводственного изменения сосновых насаждений под влиянием длительного воздействия техногенных выбросов;





разработка критериев оценки зонирования лесов по степени их ослабления;

оценка сукцессионной динамики второй генерации сосняков и изменения их восстановительного потенциала под действием промышленного загрязнения.

Достижение поставленной цели осуществлялось решением следующих задач:

- оценить состояние древостоев и предложить схему зонирования лесов с учетом комплекса воздействия техногенных факторов;

- выявить особенности изменения таксационных показателей и строения древостоев в зависимости от степени их угнетения;

- установить закономерности накопления основных токсикантов в хвое растений;

- установить взаимосвязь между состоянием хвойных фитоценозов и степенью техногенного загрязнения;

- проанализировать особенности естественного возобновления в лесах при техногенном загрязнении;

- разработать комплекс мероприятий по ведению лесного хозяйства в нарушенных лесных фитоценозах.

Научная новизна:

- выявлена реакция сосновых древостоев при длительном воздействии промышленного загрязнения, особенно для древостоев 2-ой генерации;

- предложен комплексный подход к зонированию лесов в районе города Братска, с учетом изменений, произошедших в состоянии древостоев, разработана современная схема зонирования лесов вокруг города Братска;

- выявлены особенности накопления основных токсикантов в лесах подверженных техногенному загрязнению, в динамике;

-выявлены особенности естественного возобновления и вторичных сукцессионных процессов в зонах техногенного загрязнения.

разработано Теоретическая и практическая значимость работы:

зонирование лесов, подверженных длительному воздействию промышленных поллютантов. Предложенный комплекс мероприятий по ведению лесного хозяйства в нарушенных лесных фитоценозах используется в Городском, Братском, Падунском лесничествах, находящихся в зонах действия промышленных выбросов. Результаты исследований использованы при обследовании и оценке ослабленных промышленными выбросами насаждений и комплексном мониторинге лесов в городе Братске по заказ-наряду Министерства науки и образования РФ по научному направлению «Экология и рациональное лесопользование северных территорий», тема НИР «Обоснование принципов и критериев устойчивого лесопользования в бореальных лесах Приангарья».

Работа проведена в соответствии с планом научно-исследовательских работ Рособразования по приоритетному направлению науки и техники «Экология и рациональное природопользование. Мониторинг окружающей среды.

Переработка и воспроизводство лесных ресурсов. Прогнозирование биологических и минеральных ресурсов. Сохранение и восстановление нарушенных земель, ландшафтов и биоразнообразия», а также в рамках экологической программы «Муниципальный контракт на оказание услуг, по мониторингу лесов, подвергающихся антропогенному воздействию выбросов промышленных предприятий»(2007-2011)».

Результаты работы внедрены в учебный процесс по дисциплинам «Воздействие антропогенных факторов на жизнеспособность лесных экосистем», «Современные аспекты лесоведения и лесоводства», а также при выполнении курсового и дипломного проектирования студентами и магистрантами специальности «Лесоинженерное дело» направления «Лесное дело».

Методология и методы исследования. Теоретической и методологической основой исследования явились работы ведущих отечественных и зарубежных ученых в области изучения состояния лесных экосистем, подверженных действию промышленных поллютантов. В работе использованы базовые методы научно технического познания, математического моделирования и обработки экспериментальных данных. Методика работ предусматривает комплекс полевых и лабораторных методов лесоводственно-таксационных исследований.

Положения, выносимые на защиту:

- выявлены особенности трансформации древостоев на изменение техногенной нагрузки;

- комплексная оценка состояния сосновых насаждений 2-ой генерации;

- особенности процессов естественного возобновления в лесах подверженных аэротехногенному стрессу;

- комплекс мероприятий по ведению лесного хозяйства в нарушенных лесных фитоценозах.

Степень достоверности и апробация результатов подтверждается анализом многолетних данных, полученных с использованием научно обоснованных методик исследований;

применением современных математических методов, компьютерных технологий обработки экспериментального материала.

Основные теоретические положения работы и результаты исследований докладывались на научно-технических конференциях: г. Братск (2000-2013 гг.);

г.

Йошкар-Ола (2001 г.), г. Воронеж (2001 г.), г. Томск (2001, 2005), г. Брянск (2002 2010), г. Минск (2002-2004, 2008), г. Екатеринбург (2002-2005, 2009-2012), г.

Иркутск (2004) и др.

Личный вклад автора. В основу диссертационной работы положены результаты многолетних исследований, выполненных лично автором.

Благодарности. Выражаю искреннюю благодарность моему научному консультанту д.с-х.н., профессору Е.М.Руновой за ценные советы, а также всестороннюю поддержку на всех этапах работы. Я очень признательна д.т.н., профессору Ю.Н. Алпатову за конструктивные замечания и ценные советы в процессе многолетних исследований.

Публикации. По материалам исследований опубликовано 125 научных работ, в том числе 2 монографии, 20 статей в изданиях, рекомендуемых ВАК для опубликования результатов диссертаций.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения и списка литературы, включающего 308 наименования, в том числе 32 иностранных. Работа изложена на 262 стр., иллюстрирована 49 таблицами и 139 рисунками.

1. СОСТОЯНИЕ ИЗУЧАЕМОГО ВОПРОСА Проблема охраны окружающей среды в связи с возрастанием объема техногенных выбросов в атмосферу с каждым годом становится все более актуальной.

Среди многочисленных источников атмосферного загрязнения выделяют стационарные (предприятия энергетики, металлургии, химической и нефтеперерабатывающей промышленности и др.) и мобильные.

Лесные экосистемы, обладая значительными поглотительными возможностями, во многих случаях могут противостоять высоким уровням антропогенной нагрузки. При отсутствии внешних признаков угнетения индикацию состояния экосистемы можно проводить по содержанию микроэлементов в тканях растений, прежде всего в фотосинтезирующих органах, которые являются их активными накопителями [Мэннинг, Федер, 1985].

Растительность – органическая материя на земле, но также с ее значительным участием формируются почва, климат и погода, круговорот материи и энергии, создаются экологические условия, необходимые для существования всех других живых организмов, включая человека. Поэтому охрану природы на современном этапе следует рассматривать не столько как сохранение отдельных организмов и сообществ, а преимущественно как сохранение естественных процессов поддержания и регуляции круговорота веществ и энергии в биосфере, обеспечивающих продолжение жизни на земле [Николаевский, 1995]. Так как растительность (продуценты) стоит у истоков всех биогеохимических, экологических и энергетических процессов в биосфере, то она является одним из наиболее важных компонентов, определяющих благополучие биосферы и жизни на земле.

Уменьшение загрязнения среды следует добиваться преимущественно технологическими способами. Однако даже самые совершенные очистные сооружения не в состоянии избавить нас от выбросов вредных веществ. Среди вспомогательных способов регуляции чистоты воздуха большое значение, несомненно, имеет биологический способ (поглощение и переработка вредных веществ и газов растениями), так как автотрофный характер метоболизма позволяет им ежедневно перерабатывать огромные массы воздуха.

Лес служит тем уникальным “насосом“, который перерабатывает и перекачивает “огрехи“ человеческой деятельности [Николаевский, 1995].

Известно, что в солнечный день, например, 1 га леса поглощает 220-280 кг диоксида углерода и выделяет 180-220 кислорода, а все леса планеты за год “пропускают“ через себя более 550 млрд. т диоксида углерода и возвращают человеку около 400 млрд. т кислорода. Кроме того, леса поглощают большое количество пыли (1 га леса за год - от 32 до 63 кг пыли в зависимости от своего состава), выделяют очень ценные для человека вещества - фитонциды, способные убивать болезнетворные микробы (1 га леса в сутки дает 2-4 кг фитонцидов, а 30кг их достаточно для уничтожения вредных микроорганизмов в большом городе).

Вредное влияние загрязненного воздуха на растения происходит, как путем прямого действия газов на ассимиляционный аппарат, так и путем косвенного воздействия через почву [Николаевский, 1995]. Причем прямое действие кислых газов приводит к отмиранию отдельных органов растений, ухудшению роста и урожайности, а также качества сельскохозяйственной продукции. Накопление же вредных веществ в почве способствует уменьшению почвенного плодородия, своеобразному засолению почв, гибели полезной микрофлоры, нарушению роста, отравлению корневых систем и нарушению минерального питания. Аккумуляция газа в экосистеме идет с участием трех компонент: растительности, почвы и влаги. В зависимости от погодно-климатических условий, солнечной радиации и влажности почв может изменяться поглотительная способность и удельный вес этих компонент.

Загрязнение атмосферы приводит к значительному повреждению растительности. Во многих городах и вблизи них исчезают сосна и другие породы деревьев. Например, в Центральной Европе повреждено почти 1 млн. га хвойных лесов, или 10% общей площади леса [Николаевский, 1995].

Лишь благодаря поглотительной деятельности растений, почвенной и водной среды происходит очищение атмосферного воздуха. Однако возможности этих систем не безграничны. Более того, они не справляются с поглощением и обезвреживанием суммарного годового выброса. Этим можно объяснить “отказ” растительности регулировать содержание СО2 в воздухе [Николаевский, 1995].

Так, в Англии интенсивность фотосинтеза древесных насаждений снизилась более чем в 5 раз. Загрязнение воздуха из локального (до конца ХХ века) превратилось в глобальное. Доказано, что загрязненный воздух из Германии достигает Норвегии, Швеции, а из Японии США.

Физические исследования позволили высказать гипотезу о причинах роста концентрации углекислого газа в атмосфере Земли [Николаевский, Николаевская, 1995]. С одной стороны, это вызвано ростом потребления, сжигания и переработки топлива и углеродосодержащих материалов, а с другой уменьшением годичной продуктивности автотрофных организмов в наземных и водных экосистемах. Последнее вызвано: 1) заменой более продуктивных естественных лесных фитоценозов на искусственные и менее продуктивные (сельхоз. угодья занимают уже более 10% суши);

2) подавлением фотосинтеза у растений под влиянием повышения фона загрязнения воздуха, воды и почвы.

Подавление фотосинтеза у наземных растений на значительных площадях промышленных стран стало непреложным фактом, так как оно уже ощутимо при концентрации SO2 0,03-0,05 мг/м3. Следовательно, годовой выброс всех вредных эксгалатов на Земле приближается к предельному или допустимому уровню, который может утилизироваться и обезвреживаться в биосфере с участием (в первую очередь) продуцентов. Вместе с тем это заставляет искать и разрабатывать методы контроля качества среды и добиваться международного решения вопроса ограничения загрязнения биосферы.

Известны чувствительные растения - индикаторы, не выносящие даже очень слабого загрязнения воздуха. Под влиянием очень слабых концентраций сернистого газа мхи и лишайники первыми исчезают из состава фитоценозов.

Кислые газы, нарушая рост и развитие растений (неоднократная смена листьев, вторичный рост побегов, а иногда и вторичное цветение), могут снижать устойчивость их к другим неблагоприятным факторам;

засухе, заморозкам, засолению почв.

Повреждения (ожоги) делят по характеру их проявления и изменению физиолого-биохимических процессов у растений - острые (катастрофические), хронические и невидимые.

Различают пять степеней повреждения растений сернистым газом в зависимости от концентрации его и продолжительности поглощения листьями:

отсутствие повреждений, скрытые, хронические, острые и катастрофические.

Активации повреждаемости растений газами способствует повышенная температура, влажность воздуха и солнечная радиация, т.е. факторы повышающих газообмен и поглощение токсичных газов. При пониженной освещенности и ночью повреждаемость растений уменьшается. Прекращение газообмена зимой у хвойных пород также предохраняет их от повреждений.

Исследования [Николаевский, 1995] показали, что зеленые растения более чувствительны к различным газам, чем животные и человек. Допустимая максимально- разовая концентрация SO2 для растений оказалось равной 0, мг/м3 (для животных и человека 0,05 мг/м3). Большая чувствительность растений связана с большей скоростью проникновения газа и автотрофным характером их метаболизма.

Из всех примесей, оказывающих вредное воздействие на растительность, самым изученным является двуокись серы [Баркер и др, 1979, Берлянд, 1982, Илькун, 1971, Николаевский, 1995, Sucss, Crastford, 1976].

Нередко отмечаются случаи повреждения деревьев, особенно хвойных, при весьма малых концентрациях SO2. Под влиянием SO2 может происходить сильное подкисление почв [Гудариан, 1979]. Вследствие зависимости растительности от реакции почвы при подкислении могут происходить изменения видового разнообразия естественных экосистем.

Косвенно об экологическом состоянии можно судить по наличию мхов и лишайников, чутко реагирующих на увеличение SO2 в атмосфере. Для уменьшения воздействия загрязнения атмосферы на растения необходимо вносить в почву такие удобрения, как азотные, калийные и кальциевые.

До определенного предела двуокись серы может аккумулироваться растениями и не вызывать нарушения обменных процессов. Установлено, что в хвое сосны, произрастающей в восточной части зеленой зоны города, накапливается в 1,5-2 раза серы больше, чем в фоновых насаждениях [Зубарева, 1993].

Концентрация поллютантов в атмосфере и их распространение зависит от метеорологических условий, количества поступающей солнечной энергии и турбулентности воздушных масс. В результате окисления, восстановления, конденсации, реакции токсических веществ между собой под воздействием солнечного света, в атмосфере образуются новые соединения.

Эксгалаты, выбрасываемые в атмосферу, по величине частиц, электромагнитному спектру и скорости оседания в воздухе под влиянием силы тяжести можно условно разделить на пыль (диаметр частиц от 0,5 до 2000 мкм);

пары и туманы (диаметр частиц от 0,03 до 100 мкм);

дым (размер частиц от 0, до 1 мкм).

В состав пыли могут входить литейный песок, удобрения, пылевидный уголь, цемент, летучая зола, пигменты, пыльца и споры растений, бактерии, частицы почвы. В составе паров и туманов возможны различные соединения, кислоты, пары окислов цинка, хлористого аммония, туман SOз и т.д. В состав дыма - нефтяной, смоляной, табачный и углеродный дымы и газы.

По химическому составу (с учетом токсического действия на растения) эксгалаты можно разделить на: 1) кислые газы, обладающие наибольшей токсичностью для растений (фтор, хлор, сернистый и серный газы, окислы азота, окись углерода, окислы фосфора, сероводород);

2) пары кислот (соляной, азотной, хлорной, фосфорной, серной и органических, туман серной и соляной кислот);

3) окислы металлов (свинца, мышьяка, селена, цинка, магния и др.);

4) щелочные газы (аммиак);

5) пары металлов (ртуть);

6) различные органические газы и канцерогенные вещества [Николаевский, 1995].

Загрязнение воздуха промышленными выбросами приводит к уменьшению флористического богатства и сукцессионному смещению ярусов растительности, начиная с полога древостоя [МакКленахен, 1982]. В экстремальных ситуациях лесные сообщества, прежде всего, теряют чувствительные виды растений, а затем лишаются древесного полога, сохраняя лишь покров из кустарников и трав [Смит, 1985]. Качество состояния окружающей среды можно оценивать прямо - через непосредственное наблюдение или косвенно через биоиндикаторы. В качестве индикационного признака для определения стрессовой нагрузки может быть использовано накопление загрязнителя, постепенно превышающее нормальный уровень [Биоиндикация …, 1988]. Существуют различные формы биоиндикации:

неспецифическая и специфическая.

Многие исследователи отмечают увеличение содержания серы в листьях растений, произрастающих в условиях промышленной среды [Подзоров, 1972;

Чуваев и др., 1973;

Сидорович, Гетко, 1985]. Однако при высоких концентрациях двуокиси серы в воздухе, адсорбируемые растением окислы серы, накапливаются в нем до порогового уровня, превышение которого вызывает развитие видимых признаков повреждения [Linzon, 1976;

Rennenberg, 1984]. Следовательно, по накоплению серы в хвое и листьях растений, растущих в загрязненной атмосфере в, сравнении с ее количеством у этих видов из чистой атмосферы, можно определить уровень загрязнения воздуха.

Для оценки воздействия загрязнителей на лесные экосистемы необходимо сопоставлять морфометрические и таксационные показатели древостоев, изменение их производительности с данными накопления поллютантов в хвое и годичных кольцах деревьев, а также содержанием их в воздухе. Оценка жизненного состояния растительности, как правило, проводится по характеристике кроны и отражает кумулятивный ответ дерева на условия внешней среды, в том числе и на воздействие загрязнителей. Шкала имеет пять оценочных категорий: условно здоровые, слабо-, средне-, сильно пораженные и деградированные древостои [Шяпятене, 1987;

Алексеев, 1990;

Крючков, 1991].

Анализ литературных данных показал, что вопрос микроэлементного состава растительности в естественных и техногенных экосистемах изучается достаточно активно. Неизменный интерес вызывает вопрос о взаимодействии и взаимовлиянии микроэлементов в растительных организмах [Алексеева-Попова, 1991;

Беляева, 2003;

Улахович, 1997;

Godzik, 1993;

Stronski, 1999] и их функциональном значении для растений [Алексеев, 1987;

Серегин, 2001;

Юдинцева, 1985 и др.].

Техногенное внесение микроэлементов в окружающую среду является самостоятельной экологической проблемой. Микроэлементный состав фотосинтезирующих органов определяется преимущественно экологическим фактором (Ильин, 1985). В связи с этим неуклонно возрастает внимание к вопросам количественного содержания микроэлементов в различных компонентах экосистем, определения фоновых и токсических концентраций техногенных поллютантов, экологического нормирования [Биогеохимические основы..., 1993;

Второва 1992, 1993, 1994, 1999, 2003, 2004;

Роль растений елово пихтовых…, 2002;

Черненькова, 2004].

С экологических позиций лес следует оценивать как основной компонент природных комплексов, способствующий сохранению других жизненно важных компонентов биосферы – воды, воздуха и почвы. Количественные возможности трансформации лесом основных абиотических факторов среды и масштабы его средообразующего влияния связаны с размерами занимаемой площади (процентом лесистости территории) и концентрацией в лесных фитоценозах живого органического вещества (продуктивностью лесонасаждений).

Оказывая средопреобразующее влияние на экологические условия территории, леса в тоже время находятся под воздействием техногенных факторов: атмосферного загрязнения промышленными выбросами, нарушения почвенного покрова.

Рассматриваемая в контексте экологической безопасности необходимость оценки продуктивности и устойчивости лесонасаждений в условиях интенсивного техногенного воздействия определила настоящую тему исследований.

1.1. Лесные экосистемы в условиях техногенеза Проблема экологического влияния лесов расширилась и углубилась: были установлены новые формы воздействия леса на формирование химического и бактериального стока, термического режима рек, газового баланса атмосферы, пылеулавливающие, фитонцидные и другие свойства лесных экосистем [Молчанов, 1973;

Протопопов, 1975;

Поздняков, 1983 и др.].

Экологический эффект лесонасаждений связан с их устойчивостью, стабильностью. Наиболее полное проявление средообразующих функций леса происходит в здоровых насаждениях, с нормальным ростом и развитием [Протопопов, 1982]. Однако леса, произрастающие на техногенных и урбанизированных территориях, испытывают угнетающее влияние техногенных факторов, приводящее к снижению продуктивности и устойчивости.

Следовательно, проблема «лес в техногенных условиях» двуедина: лес оптимизирует экологические условия, ухудшенные техногенными факторами, и в тоже время подвергается негативному воздействию техногенеза. Такой подход соответствует высказыванию И.С. Мелехова [1969], что в экологии леса необходимо рассматривать две стороны: влияние условий внешней среды на жизнь леса и формирование лесом особой, присущей ему лесной среды. В общем плане это созвучно экологическому принципу обратной связи – влияние биосферы на экологические условия среды обитания человека и воздействие техногенных факторов, порождаемых жизнедеятельностью человека, на элементы биосферы [Реймерс, 1990].

Проблемные вопросы о влиянии лесов на окружающую среду и о влиянии внешней среды (в том числе и трансформированной антропогенной деятельностью) на леса являются по существу основным предметом рассмотрения лесоводства. Они детально освещены в работах В.Ф. Морозова [1970], Г.Н.

Высоцкого [1952], В.Н. Сукачева [1997], М.Е. Ткаченко [1955], В.Г. Нестерова [1954], С.В. Белова [1983] и других исследователей.

Комплексные исследования функций лесных экосистем в ландшафтах юга Средней Сибири проведены А.И. Грибовым [1996]. Устойчивости сосновых лесонасаждений посвящены исследования Л.А. Барахтеновой [1992]. Важным выводом является то, что несмотря на отрицательное влияние промышленных выбросов на ферменты фотосинтетического цикла и дыхания, продуктивность насаждений существенно не снижается.

Наиболее исследованным и значимым техногенным фактором воздействия на растительность является атмосферное загрязнение промвыбросами. Большой вклад в разработку теории газоустойчивости внесли Н.П. Красинский [1950], Ю.З.

Кулагин [1980], Г.М. Илькун [1978], В.С. Николаевский [1995] и др. Оценивая устойчивость растений к техногенному загрязнению, исследователи отмечают, что у растений нет специфических механизмов или физиологических процессов, определяющих газоустойчивость, поэтому защитные функции этого фактора выполняют другие свойства и качества растений (так называемая преадаптационная теория газоустойчивости).

Относительно газоустойчивости хвойных пород в научной литературе высказаны многочисленные и весьма разноречивые мнения, включающие как полное отрицание целесообразности их использования на задымленных территориях, так и признание определенной газоустойчивости.

В обобщенном виде сочетание деструктивных факторов техногенного воздействия на природную среду и противопоставленных им средообразующих конструктивных проявлений лесонасаждений представлено в таблице 1.

Таблица 1 - Схема взаимосвязей деструктивных техногенных факторов и фитомелиорации их проявлений Техногенное воздействие на Фитомелиорация техногенных окружающую среду последствий Сжигание - связывание - продуцирование О2 Фотосинтез органическо атмосферного О2 - - ассимиляция СО2 органики го топлива выбросы СО Атмосферно - эмиссии токсичных - поглощение и Физиологиче е газов SО2, NОх и др.;

нейтрализация ские загрязнение - запыление воздуха токсичных газов;

процессы, промвыброс - фильтрация образование ами воздушных потоков от биомассы пыли;

- фитонцидность, ионизация воздуха Горнодобыв - разрушение и - инициирование Биологическ ающие загрязнение почвенного почвообразования: ая работы покрова;

- восстановление рекультиваци - образование биопродуктивности я техногенных территории;

нарушенных «пустырей»;

- проявление земель - иссушение грунтовой водоохранных и толщи, развитие эрозии противоэрозионных свойств растительности Суммарно: - потеря санитарно- - восстановление Восстановле деградация гигиенических и санитарно- ние естественны рекреационных качеств гигиенических и растительног х ландшафта: рекреационных о покрова на ландшафтов - ухудшение функций территории;

техногенных микроклиматических - оптимизация территориях условий микроклиматических (температурного условий режима, влажности) На формирование лесных экосистем влияют природные (пожары природного происхождения, изменение климата, повреждение лесных культур дикими животными и др.) и антропогенные факторы (рубка леса, корчевка, возделывание земель, сенокошение, пожары, возникшие по вине человека, и пр.).

Они вносят в природные экосистемы существенные изменения, вплоть до их необратимого преобразования [А.Данченко, М. Данченко, 2001]. Современный этап развития характеризуется усилением антропогенного пресса на лесные экосистемы. Площадь лесов за последние 200 лет сократилась в 2 раза. В России в конце прошлого века заготавливалось более 400 млн.м3 древесины [Марков, 2001].

Послепожарное лесовозобновление в сосновых лесах отдельных регионов Западной Сибири изучали [С. Н. Санников, 1958, 1960, 1964, 1966, 1972, 1973, 2003, 2005;

B.В. Фуряев,1967, 1996, 2004;

Б. П. Колесников и др.,1973;

Н. С.

Санникова,1977, 1978, 1984, 1992;

Н. П. Гордина, 1985;

Ю.Н. Ильичев и др.

2003]. Механизмам пирогенных сукцессий посвящено значительное количество работ [Clements, 1928;

Крашенинников, 1939;

Работнов, 1978;

Фуряев, Киреев, 1979;

Комарова, 1980, 1993, 1996;

Санников, 1983;

Ипатов и др., 1991, 1996;

Миронычева-Токарева, 1998;

Куприянов и др., 2003]. Разработаны общие схемы первичных и вторичных сукцессий для разного типа фитоценозов, в том числе и лесных.

В Западной Сибири выполнено множество работ по изучению естественного лесовозобновления на сплошных вырубках [Шиманюк, 1949, 1962;

Крылов, 1954;

Санников, 1958, 1960, 1966, 1970, 1972;

Хлонов, 1962;

Маслаков, 1964, 1981, 1984;

Колесников и др., 1975;

и др.].

Промышленное загрязнение приземных слоёв тропосферы занимает особое место по масштабам и опасности в комплексе антропогенных факторов, отрицательно влияющих на природную среду. Леса санитарно-защитных зон наиболее подвержены влиянию промышленных выбросов, так как являются основным биологическим барьером. Поллютанты оказывают многообразное воздействие на лесные экосистемы. К ним относят изменения в естественных биогеохимических циклах, повреждение ассимиляционного аппарата растений, опосредованное влияние на растительность через изменения условий обитания растений. Однако в литературе недостаточно отражены сведения о динамике лесной растительности в условиях длительного техногенеза, а также о восстановительных процессах при снижении техногенной нагрузки на лесные экосистем.

Длительный период исследований влияния загрязнителей на леса позволил получить важнейшие теоретические и прикладные результаты:

1) установленные механизмы воздействия поллютантов на древесные растения позволили разработать биологические аспекты теории газоустойчивости растений [Антипов, 1975, 1979;

Гетко, 1989;

Кулагин, 1974, 1980;

Мартынюк, 1992, 2004;

Николаевский, 1979, 1989;

Смит, 1985;

и др.];

2) созданы теоретические основы методов контроля за загрязнением атмосферного воздуха, а также методы прогноза состояния лесных экосистем и трансграничного переноса техногенных веществ [Алексеев А.С., 1997;

Алексеев В.А., 1989;

Горшков, Ярмишко, 1990;

Израэль, 1987, 1989;

Степанов, 1992;

и др.];

3) разработаны методологические основы, методы и технологии экологического нормирования [Алексеев А.С. и др., 1986;

Мартынюк, 1998;

Николаевский, 1979, 1993;

и др.];

4) проведены исследования влияния техногенного загрязнения на фитоценозы [Цветков, 2003;

Никонов, 2003;

Орлова, 2006;

Борисова, 2006;

и др.];

5) подготовлены научно-методические основы эколого-экономической оценки воздействия промышленных эмиссий на фитоценозы [Капелькина, Гаврилов, 1989;

Орлова, 2006;

и др.].

В конце 90х годов в связи со значительным спадом производственных мощностей на промышленных предприятиях появляются научно исследовательские работы о динамике растительных сообществ после прекращения или частичного и значимого снижения техногенного давления [Черненькова, 2002;

Залесов и др., 2002;

Ганичева и др., 2004].

По анализу научно-исследовательских работ, проведённых в районе исследований, можно отметить, что практически нет данных по вопросам восстановительной динамики в лесном растительном покрове для санитарно защитных зон предприятий данного типа при значительном снижении техногенного давления. Дополнительному изучению подлежат также вопросы влияния на фитоценозы ухудшения гидрологического режима почвы на объектах техногенного воздействия, состояния популяций стволовых насекомых и фитопатогенных грибов. Перечисленное в значительной степени определило цель исследований, их актуальность и теоретическую значимость.

Воздействие атмосферных промышленных выбросов как одного из наиболее значимых факторов, определяющих состояние лесов в индустриально развитых регионах, характеризуется длительной временной протяженностью и значительными географическими масштабами. До настоящего времени ощущается явный недостаток обобщенной информации об ответной реакции лесных экосистем на определенные уровни промышленного загрязнения. Отчасти это объясняется недостаточной изученностью воздействия техногенных эмиссий, как эволюционно относительно нового фактора, на изменение структуры, функций и биогеохимических циклов элементов в экосистемах. Анализ научной литературы свидетельствует, что чаще рассматриваются изменения состояния лесных экосистем при возрастании объема эмиссий. Основной тренд этого процесса, как известно, заключается в нарастании признаков деградации экосистем. Предполагается, что общая направленность техногенной сукцессии противоположна ходу естественных сукцессий и имеет необратимый характер.

Несмотря на ряд внешних сходных черт с естественными сменами экосистем механизмы, лежащие в основе техногенных и естественных сукцессий, различаются [Кулагин, 1980;

Воробейчик и др., 1994]. Значительно меньше сведений о трансформации лесов при снижении уровня техногенного загрязнения.

При определенном сокращении нагрузки был зафиксирован ряд положительных тенденций, заключающихся в постепенном восстановлении структуры и функций сильно нарушенных лесных экосистем [Черненькова, 2002].

Вместе с тем, крайне редки длительные режимные наблюдения динамики состояния лесов с момента появления техногенного пресса. Такие материалы имеют высокую научно - практическую ценность, так как с наибольшей информативностью отражают специфику процесса трансформации лесных экосистем и могут служить базисом для разработки моделей их «поведения» при разноуровневой техногенной нагрузке.

1.2. Естественные и антропогенные источники тяжелых металлов в биосфере Промышленные предприятия определяют уровень загрязнения атмосферного воздуха. В нашей стране среди промышленных предприятий черная и цветная металлургия являются самыми загрязняющими природную среду отраслями (второе место занимает энергетика). На долю металлургии приходится около 40% общероссийских валовых выбросов вредных веществ, в том числе по твердым веществам около 26% и по газообразным около 34%. Среди этих видов химических загрязнений тяжелые металлы обладают особой значимостью благодаря своим свойствам оказывать острое токсическое воздействие, а также в связи с их плохой выводимостью из биогеохимического цикла.

Тяжелые металлы составляют группу техногенных металлов, в которую условно включают элементы с атомной массой свыше 50, обладающие свойствами металлов или металлоидов. Они отличаются от других металлов высоким содержанием в промышленных отходах и высокой токсичностью. Эти металлы относятся к категории неспецифических загрязняющих веществ, так как присутствуют практически во всех почвах в том или ином количестве. Большая часть их относится к микроэлементам, содержание их в почве находится в пределах микроконцентраций, измеряемых в миллиграммах на килограмм почвы.

Источники и пути техногенного рассеивания тяжелых металлов разнообразны.

В таблице 2, 3 дается представление о размерах глобального поступления от антропогенных источников наиболее токсичных для живых организмов металлов.

Заметно многократное превышение, за исключением ртути, выбросов от антропогенных источников над природными [Ровинский и др., 1988].

Таблица 2 - Глобальное поступление загрязняющих веществ в атмосферу (в тыс.т/год) (по Ровинскому и др., 1988) Источник Pb Cd As Hg Газообразные соединения серы Антропогенный 420 9,5 40 6,4 Природный 35 6,8 19 10-100 В тропосфере в процессе физико-химических реакций части металлов становятся ядрами конденсации воды с растворенными ней сульфат-, нитрат- и хлорид-ионами. При этом возможно продолжение химических реакций по растворению частиц металла воздухе. В осадках над континентами находится примерно равное количество растворимых и нерастворимых форм. Имеется специфика по отдельным металлам: медь выпадает почти целиком в растворимом состоянии (80%), свинец же большей частью в нерастворимой форме (60%) [Добровольский, 1988].

Поступление тяжелых металлов из атмосферы на растительный почвенный покровы осуществляется в виде сухих и влажных выпадений. Разумеется, различные металлы имеют неодинаковые пределы обнаружения в почве. В таблице приводятся средние концентраты металлов, характерные для незагрязненных почв.

Известно, что содержание металлов зависит также от типа почвы. Миграция большинства элементов происходит тем интенсивнее, чем ниже содержание в ней гумуса и чем легче гранулометрический состав. В таблице 4 даны величины фонового содержания валовых форм металлов в различных типах почвы.

Таблица 3 - Глобальные миграционные потоки тяжелых металлов в биосфере (в млн т/год) [Добровольский, 1988] Биологический Континентальный Метал круговорот сток Пылевой вынос л с континентов в составе раствори на суше в океане твердых мые взвесей Fe 34,0 32,0 0,25 705 Mn 41,0 6,0 0,37 43,0 V 2,6 0,4 0,083 2,7 0, Cr 0,31 0,28 0,037 2,7 0, Ni 0,35 2,9 0,074 1,9 0, Co 0,17 0,4 0,011 0,41 0, Zn 8,6 10,0 0,74 1,6 0, Cu 1,7 16,0 0,26 1,2 0, Pb 0,43 0,4 0,037 0,41 0, Mo 0,1 0,08 0,037 0,041 0, Ag 0,0069 0,022 0,011 0,002 0, Hg 0,0021 0,0024 0,0026 0,008 0, Cd 0,00086 0,032 0,0074 0,0061 0, Скорость оседания частиц разных размеров существенно различается. В спокойном воздухе частицы диаметром 0,5 мкм, принадлежащие к тонкой фракции, оседают со скоростью 0,0007 см/с;

частицы средних размеров – 1, 5, мкм – со скоростью 0,003, 0,07 и 0,3 см/с соответственно, а частицы крупных размеров – 50, 100 и 200 мкм – со скоростью 7, 30 и 120 см/c [Илькун, 1978].

Таблица 4 - Фоновые (нормальные) концентрации микроэлементов в незасоленных и незагрязненных почвах [Смит, 1985] Концентрация в почве, мг/кг (ppm) Элемент средняя пределы Fe 38000 7000- Mn 550 100- V 80 15- Cr 100 5- Ni 14 1- Co 8 25- Zn 50 2- Cu 20 0,2- Mo 2 0,001-0, Hg 0,05 0,01-0, Cd 0,3-0, Таблица 5 - Фоновое содержание валовых форм тяжелых металлов в почве (в мг/кг) Почва Zn Cd Pb Hg Cu Co Ni As Дерново- 28 0,05 6 0,05 8 3 6 1, подзолистые, песчаные и супесчаные Дерново- 45 0,12 15 0,10 15 10 30 2, подзолистые, суглинистые и глинистые Серые лесные 60 0,20 16 0,15 18 12 35 2, Черноземы 68 0,24 20 0,20 25 15 45 5, Каштановые 54 0,16 16 0,15 20 12 35 5, Скорость выведения и подвижности металла сильно зависят от кислотности почвенного раствора. Синергизм действия частичек металлов и растворов кислот, как в атмосфер, так и в почве приводит к повышению токсического воздействия.

Расчет процентного содержания подвижных форм тяжелых металлов от их валового количества показал, что наибольшей мобильностью отличаются свинец и кадмий, для которых более 50% от валового содержания приходится на подвижные формы [Фирсова и др., 1997]. Доля подвижных форм для меди и хрома составляет около 1-2%, цинк занимает промежуточное положение.

Суммарные валовые запасы этих металлов в светло-серых и серых лесных почвах, в выщелоченных и оподзоленных черноземах пашни, в дерново-луговых почвах пастбищ и лугов достигают 0,5 т/га, из них подвижных форм – до 37 кг/га.

Продолжительность пребывания загрязняющих веществ в почвах гораздо больше, чем в других частях биосферы, и, по мнению Кобата и Пендиаса [1989], практически вечно. Металлы, накапливающиеся в почвах, медленно удаляются в процессах выщелачивания, потребления растениями, эрозии и дефляции.

В таблице 6 дано распределение основных металлов по степени токсичности (ГОСТ 17.4.1.02-83, 1983).

Таблица 6 - Отнесение химических веществ, попадающих в почву из выбросов, сбросов, отходов, к классам опасности Класс Химическое вещество опасности 1 Мышьяк, кадмий, ртуть, свинец, селен, цинк, фтор, бенз(а)пирен 2 Бор, кобальт, никель, молибден, медь, сурьма, хром 3 Барий, ванадий, вольфрам, марганец, стронций, ацетофенон По содержанию валовых и водорастворимых форм металлов в почве имеются различия по степени токсичности, в соответствии с этим ПДК различается. Таким образом, среди множества газо- и пылеобразных загрязняющих веществ рассмотрели основные закономерности распределения металлосодержащих соединений, поступающих в окружающую среду в результате действия металлургических производств. Приоритет их выбора объясняется:

- угрожающей тенденцией роста промышленного производства, сопровождающегося большим ареалом рассеивания металлсодержащей пыли в окрестностях источников выбросов (десятки и сони километров);

- высокой токсичностью ряда тяжелых металлов (PB, Cd, Hg, Cu, Sb, V, Cr, Mo, Mn, Co, Ni), неоднократно обозначенной в официальных документах программ ООН по окружающей среде [Состояние окружающей среды, 1980;

Munn, 1973];

- малой выводимостью тяжелых металлов из экосистемы, закрепленных органоминеральными комплексами почвы;

- способностью накапливаться согласно закону трофической пирамиды в пищевых цепях с увеличением концентрации.

В работе В.В. Добровольского [1983] по оценке техногенного рассеивания металлов, дающей базовое представление о закономерностях глобального их распределения в биосфере, делается вывод о крайней неравномерности этого процесса, разном состоянии и формах нахождения металлов, определяющих различную растворимость в воде, доступность их соединений для живых организмов и соответственно включенность биохимические миграционные циклы.

Следует добавить, что, несмотря на высокую поглощающую и перераспределяющую способность живого вещества биосферы (в годовом приросте растительности содержание рассеянного цинка в два раза превышает его мировую промышленную добычу в год [Добровольский, 1983]), нормализующую их средний уровень содержаний на планете, несоизмеримый с локальным уровнем загрязнения металлами, нельзя не учитывать способность трансграничного распространения их высоколетучих форм, а также синергетику воздействия малых доз на живые организмы, область, пока еще изученную недостаточно.

Степень воздействия тяжелых металлов на растительные организмы зависит, с одной стороны, от чувствительности вида, с другой – от химического состава соединений, продолжительности дозы воздействия и условий седиментации загрязняющих веществ.

Известно, что воздействие может быть оказано прямым и косвенным путем [Черненькова, 1987;

Соловьев и др. 1989]. Прямой способ реализуется через механический (механическая закупорка устьичных щелей, ведущая к нарушению газообмена и транспирации);

физический (изменение оптических свойств света, ведущее к повышению температуры запыленных листьев из-за преимущественного поглощения инфракрасного спектра излучения) и химический пути воздействия (непосредственное воздействие фитотоксичных частиц, поглощенных корневой системой или листовой поверхностью). Косвенный способ – посредством изменения физико-химических и биологических свойств почв и преобразование ценотических и консортивных взаимоотношений в экосистеме.

Значительную роль в специфике ответной реакции лесной среды на промышленное загрязнение играют физико-географические условия региона [Менщиков, 2004]. Природные экосистемы Крайнего Севера в наибольшей степени подвержены разрушительному влиянию токсикантов, поскольку многие виды находятся здесь на пределе ареалов и особенно чувствительны к стрессовым факторам [Власенко, Василюк, 1992;

Бойченко, Исаев, 1992].

Известно, что растительное сообщество является жизнестойким, если оно способно восстановить численность популяций, заменяя погибшие экземпляры новыми [Чертовской и др., 1987]. Процесс естественного возобновления и роста древостоев является главным фактором нормального функционирования насаждений, а его нарушение влечет за собой преобразование всего фитоценоза, типологическую смену сообществ [Черненькова, 2004].

Главным, лимитирующим естественное возобновление фактором под пологом леса, является корневая конкуренция за влагу и элементы минерального питания со всеми ярусами растительности, что обусловлено маломощным деятельным горизонтом почвы из-за близкого залегания многолетней мерзлоты.

Под пологом обычно формируется разновозрастное молодое поколение.

Существует и ряд особенностей в формировании молодого поколения леса в сообществах разной степени нарушенности. Отмечены некоторые различия в процентном соотношении живых и сухих особей подроста, а также в их качественном состоянии. Так, для участков не подверженных или слабо подверженных аэротехногенным выбросам характерно 0-7 % сухих особей, что в основном связано с естественным изреживанием. Однако при длительном отсутствии пожаров в этих условиях количество сухостойного подроста может достигать 60% за счет усыхания порослевой березы, не выдерживающей жесткой конкуренции с хорошо развитыми нижними ярусами растительности. В лесных сообществах умеренной нарушенности количество сухостойного подроста значительно увеличивается, и изменяется в разных случаях от 9 до 54 %, преимущественно усыхают лиственница и ель. Следует отметить, что наибольший процент сухостойного подроста лиственницы был отмечен у верхней границы леса, что, вероятно, обусловлено экстремальными условиями произрастания и, в связи с этим, наименьшей устойчивостью лесных экосистем к влиянию внешних факторов.

В настоящее время инструментальные методы определения химического состава среды достаточно развиты и применяются особенно успешно при работе с такими компонентами биосферы, как атмосферный воздух, воды, снег. Однако при анализе изменения биологических объектов использования лишь аналитических методов недостаточно, так как состояние живых организмов и целых сообществ не всегда адекватно уровню загрязнения среды, к тому же оно варьирует у различных таксонов. Поэтому только средствами биологического мониторинга может быть получена ответная реакция живых организмов на изменение среды обитания, в данном случае на изменение ее химического состава. Разделяем мнение Х.Х. Трасса [1983], выделяющего среди преимуществ экологического (биологического) мониторинга по сравнению с физико-химическими методами исследования три его следующих преимущества: 1) не требуется дорогостоящее оборудование;

2) позволяет получить интегральные оценки;

3) дает возможность характеризовать большие территории.

Информация об изменениях в окружающей среде может быть получена путем проведения химического анализа или с помощью работы с биологическими показателями живого объекта, т.е. методами биоиндикации. Биоиндикация — это обнаружение и определение биологически значимых антропогенных нагрузок на основе реакций на них живых организмов и их сообществ [Криволуцкий, 1987].

Под биоиндикаторами понимаем группу особей одного вида или сообщество, по наличию и состоянию которых судят об изменениях в среде, в том числе о величине концентраций токсических примесей. Есть мнение, что биоиндикаторами следует считать те виды, которые способны накапливать токсиканты без изменения внешних признаков, а виды, изменяющие свои параметры под влиянием антропогенного воздействия, считать биомониторами. По мнению Х.Х. Трасса [1988], видами индикаторами целесообразно считать: а) доминирующие;

б) широко распространенные;

в) чувствительные к фактору воздействия и г) легко и быстро определяемые виды. Биоиндикатором может служить любой без исключения вид или биологический объект — от микроскопической клетки до экосистемы любого масштаба.

1.3. Особенности аккумуляции тяжелых металлов сосудистыми растениями Голосеменные являются наиболее древним отделом семенных растений.

Насчитывается около 600 видов голосеменных растений, большая часть из них относится к хвойным. У большинства голосеменных водопроводящие элементы древесины (ксилема) представлены исключительно специальными клетками – трахеидами. Древесные волокна и сосуды отсутствуют, что, помимо способа размножения, является другой их отличительной чертой от покрытосеменных растений. Наличие поверхностной защитной ткани – кутикулы – предотвращает потерю воды листвой пластинкой (хвоей) и служит первым барьером, препятствующим проникновению в растение веществ из атмосферы. Средняя толщина кутикулы колеблется в пределах от 2 до 10 мкм и может достаточно хорошо пропускать газ, органические и неорганические вещества. Площадь устьиц составляет 0,3-2% поверхности листа [Garrec, Kerfourn, 1987]. Устьица являются органом, роль которого заключается в осуществлении газообмена между атмосферой и клеточным пространством листа. Интенсивность газообмена может меняться в зависимости от внешних факторов (освещенности, метеоусловий, концентрации СО2 и обеспеченности снабжения растений влагой).

Хвойные – наиболее обширная группа голосеменных растений, формирующих лесной пояс растительности, и широко распространенных в северном полушарии, на территориях России, Скандинавии, Канады и северной части США, представленная в первую очередь такими представителями сем.

Pinacea, как сосна, ель, лиственница, пихта, кедр. Около 90% биомассы биосферы (1700·109 т сухого вещества) сосредоточено в лесах. Человек использует древесину в количестве 2·109 т в год (в сухом виде).

Известно несколько путей поступления химических элементов и соединений в растение, основными из которых являются корневое питание, газообмен, обменная адсорбция на поверхности листовой пластинки. Развитие таких эволюционно обусловленных систем, как проводящие ткани, защитный кутикулярный слой, приспособления физиолого-морфологического и консортивного плана, определяют сложную и опосредованную зависимость химического состава тканей сосудистых растений от изменения химического качества окружающей среды.

При этом сосна обыкновенная обладала наивысшей степенью пылезадерживающей способности, превышающей в 10-15 раз другие древесные породы (осину, березу, черемуху, вяз, клен и др.). В другой работе [Khan et al., 1989] было показано, что на участках с густой растительностью перемещение взвешенных в воздухе частиц пыли уменьшилось на 75 % по сравнению с открытыми участками.

Г.М. Илькун [1978] описывает три основные фазы поступления токсических газов в клетку: сорбция кутикулярным слоем и клетками эпидермиса диффузия через устьичные щели внутрь листа и растворение в воде, насыщающей оболочки листа, передвижение от места поглощения к соединительным тканям и накопление внутри клеток. Это, по-видимому, является основным путем поступления токсичных газов в лист.

Проникновение токсических веществ из почвы через корневую систему зависит от защитных свойств растений. Первым препятствием для отдельных микроэлементов является избирательная способность корневого поглощения [Тарабин, 1982];

вторым фактором регулирования аккумуляции микроэлементов служит физиологический барьер поглощения [Mayer, Heinrichs, 1981].

Говоря о закономерностях накопления тяжелых металлов растениями, следует упомянуть о работах Р.Р. Ковальского и Н.С. Петруниной, посвященных теоретической разработке фитоиндикационных исследований в связи с неоднородностью геохимической обстановки подстилающей поверхности и почвенного покрова [Ковальский, Петрунина, 1964;

Петунина, 1971]. Ими были выделены две группы растений: адаптированные к изменению концентраций химических элементов и неадаптированные к нему. В пределах первой группы выделена подгруппа растений, сильно концентрирующих химические элементы даже при нормальном содержании микроэлементов в окружающей среде (привычные концентраторы), и подгруппа растений, уровень содержания элементов в которых соответствует концентрации их в окружающей среде (непривычные концентраторы). В практике других исследований также распространено деление растений на аналогичные группы. Так, среди растений, произрастающих в Чехии на двух участках, характеризовавшихся содержанием свинца в почве 85,22 и 40,13 мкг/кг соответственно, были выделены 3 группы видов, различающиеся уровнем загрязнения [Bednarova, 1988]. В первую группу входили Polygonum aviculare, Taraxacum officinale, Ranunculus repens, Plantago major, Calamagrostis epigeios, в которых накопление свинца не зависело от его содержания в почве (перечислены в порядке уменьшения концентраций свинца) и колебалось от 19,20 до 8,21 мкг/г. Во вторую группу были объединены Alchemilla monticola, Potentilla anserina, Angelica sylvestris, накапливающие свинец пропорционально его содержанию в почве в концентрациях 8,46-19,5 мкг/г. В третью группу входили Achillea millefolium, Jacea ponnonica, Arctium lappa, Tussilago farfara, Heracleum sphondylium, концентрация свинца в которых достигала максимальной величины на участках с его минимальным содержанием в почве (до 14,95-29,70 мкг/г).

Кора древесных растений отличается хорошими аккумуляционными свойствами, что часто используется в практике биомониторинга, но не всегда придается значение существующим послойным различиям в накоплении загрязняющих веществ. Именно о специфике распределения свинца в последовательных слоях в коре сосны (Pinus halepensis) говорится в работе [Karandinas et al., 1985] (таблица 7). Было отмечено, что концентрация свинца самого дальнего от центра участка коры (наиболее старой) была более высокой (в 20 раз), чем ближних, более молодых. Кроме того, древесина содержала свинца много меньше, чем кора (1,2 и 172 ppm соответственно).

Никаких заметных изменений в составе «старой» коры (до 1912г.) Pinus sylvestris при анализе на содержание 10 металлов обнаружено не было, в то время как в «новой» коре (до 1980 г.) было отмечено увеличение кальция и железа [Raunemanaa et al., 1987].

Распределение S, F, Mg, K, Ca в коре сосны на разных расстояниях от алюминиевого завода «Скавина» в Польше дано в работе Swicboda и Kalemda [1979]. Размах варьирования общей серы в отобранных образцах коры составляет от 1 до 3,83;

магния от 0,007 до 0,468;

натрия от 0,93 до 2,23;

фосфора от 0,12 до 0,445;

калия от 0,615 до 1,368 и кальция от 2,63 до 15,40 мг/г. Наибольшая корреляция между растением до источника выбросов и содержанием элементов была установлена для фтора, кальция и рH коры;

содержание же серы зависело от концентрации натрия, калия и кальция.

Таблица 7 - Содержание свинца в коре сосны (Pinus halepensis) (в ppm) [Karandinas et al., 1985] Номер образца, Последовательные слои коры, идущие к соответствующий удалению центру от дороги, м G A B C D E F Загрязненный участок 1 185 15 9,5 3,0 2,4 0-1 (а) 780 5,4 2,1 1,9 1,0 2-0 57 2,4 1,1 - - 3 77 6,4 4,4 3,3 2,3 3-0 159 8,6 3,5 2,5 2,5 1, Незагрязненный участок 155 0,9 1,7 2,6 - 4 100 0,8 0,5 0 - 0, 22 1,6 2,3 1,3 1,7 1, 25 5,82 3,36 2,17 4,22 1, Средневзвешенные значения (б) Примечание: а – номер образца коры, отобранного с противоположной стороны ствола того же дерева, не обращенной к дороге;

б – преобразованные в % концентрации свинца, соотнесенные со значением концентрации в слое А.

Изменение кислотности коры сосны в окрестностях завода близ Орнсколдсвика было измерено шведским ученым [Westman, 1974]: pH на контроле имело значения 3,4-3,8;

при низких условиях загрязнения – 2,9-3,4;

при высоких 2,6-2,8 и менее 2,5 при очень высоких уровнях загрязнения.

Исследованиями Гродзинской [Grodzinska, 1979] были установлены зависимости pH коры разных видов древесных пород от расстояния до источника выбросов. Для Tilia cordata корреляционная зависимость выглядела следующим образом – y = 0,17x-0,11 (r=0,84), для Quercus robur – y = 0,04x+240 (r=0,41), для Pinus sylvestris – y=0,09x+0,41 (r=0,91), где х – расстояние от источника загрязнения (в км).

Интересная закономерность по распределению кальция, алюминия, экстрактивов и лигнина в рациональном направлении от сердцевины ствола (Н1+Н2+Н3+Н4) до слоя ранней (s1) и поздней коры (s2) изложена в работе [Pathak et al., 1986]. Как и в случае деревьев, произрастающих в загрязненных и незагрязненных местообитаниях, было отмечено увеличение содержания экстрактов лигнина по направлению к сердцевине. Содержание кальция резко увеличивалось в этом же направлении;

а алюминия – в противоположном, что говорит об антагонистическом характере поглощения этих элементов из почвы.

Собственную версию, объясняющую распределение металлов в стволовой части деревьев [Kosmus, Crilf, 1985]. Они связывают распределение металлов с физиологической активностью деятельности микроскопических грибов, обитающих в древесине деревьев. Факторный анализ не показал корреляции между возрастом древесины деревьев исследованных видов (Picea abies, hippocastanum и Sophora japonica) и содержанием тяжелых металлов [Kosmus, Crilf, 1985]. Самые высокие концентрации были обнаружены в коре;

в камбиальной зоне содержание металлов было ниже в связи с низким содержанием танинов, образующих с металлами комплексные соединения. В древесине ели концентрация меди и свинца коррелировали с возрастанием их содержания в окружающей среде.

В другой работе [Hagemeyer, Breckle, 1986] также не исключается возможность перемещения металлов по стволу в радиальном направлении. На примере кадмия, содержание которого было оценено в древесине дуба (окрестности г. Оснабрюк), было показано, что минимальное его содержание наблюдалось в наиболее молодых кольцах (за камбием), затем концентрация его возрастала до максимальной в переходной зоне от заболони к сердцевине дерева;

в средней части сердцевины концентрация была невелика и увеличивалась к центру ствола.

В древесине Pinus halepensis содержание свинца было сравнительно меньше по сравнению с пробами коры (1,5 и 172 ppm), а содержание свинца в годичных кольцах уменьшалось с возрастом при отрицательной корреляции между содержанием металла и шириной годичного кольца. Содержание металла в старых слоях коры было в 20 раз выше, чем в молодых, внутренних.

В целом остается много вопросов по поглощению, передвижению и аккумуляции металлов в древесине, что тормозит использование методик анализа годичных колец для оценки загрязнения окружающей среды.

Хвоя деревьев является часто используемым объектом химического мониторинга качества среды. Отбирая хвою деревьев для анализа, необходимо знать о возможных различиях в концентрации элементов в ней в зависимости от возраста хвоинок, экологических особенностей произрастания деревьев и ряда других факторов. Именно для ответа на эти вопросы воспользуемся данными ряда исследований.

В работе [Molski et al., 1980] было измерено содержание общей серы в хвое сосны обыкновенной 20-летнего возраста из загрязненных (р-н Паневников, Польша) и контрольного (Беловежская пуща) местообитаний. Выяснено, что содержание общей серы в хвое в среднем было вполне адекватным содержанию двуокиси серы в воздухе. В однолетней хвое разница в количестве элемента между загрязненными и контрольными местообитаниями составила 2-4 раза, тогда как в воздухе различия по содержанию двуокиси серы были значительно выше (в 5-10 раз) с пиком концентраций, превышающих фоновый уровень на 1 1,5 прядка в период с октября по январь. Различий в концентрации серы между хвоей 1-,2- и 3-го годов в чистых местообитаниях обнаружено не было, тогда, как в загрязненных районах хвоя 1-го и 3-го годов отличалась по содержанию серы в среднем на 25%, а хвоя 2-го года занимала промежуточное положение.

Характерно, что указанные выше закономерности сохранялись в равной силе для сосновых лесов, принадлежащих к разным типам, сухим и влажным.

Не было обнаружено разницы в накоплении серы в хвое сосны, отобранной в верхней, средней и нижней частях кроны в сосняках лишайниковых, сложных и брусничных [Пярн, 1984;

Мартынюк, Ромашкевич, 1984]. В непосредственной близости от промышленного источника иногда наблюдалось повышенное количество серы в нижних частях коны.

Автор предполагает, что, это может быть вызвано переносом поверхностно-адсорбционной жидкими осадками из верхних частей кроны, в целом отмечена высокая величина варьирования содержания серы в хвое (V=16 40%) [Мартынюк, Ромашкевич, 1984].

Варьирование содержания серы в зависимости от времени года было прослежено в работе Х.Я. Пярна [1984]. Максимальные концентрации – в марте апреле (0,63 и 0,40 мг/г в загрязненных и контрольных местообитаниях соответственно). В начале вегетационного периода содержание серы начинало снижаться и достигало минимальных значений в июле-августе (0,22 и 0,16 мг/г).

Отмечена высокая степень корреляции между концентрациями серы в хвое и в воздухе.

Исследованиями В.П. Тарабрина с соавторстве [1970] содержание микроэлементов в листьях древесных растений в контрольных промышленных местообитаниях, отобранных в течение вегетационного сезона (июнь, июль и сентябрь), а также была обнаружена определенная динамика в накоплении микроэлементов в течение этого срока. Так, в июне в условиях загрязнения содержание в листьях Si, Mn, Pb, Al, Fe, Ti, Cu по сравнению с контролем колебалось в зависимости от вида растений. В конце вегетационного срока содержание микроэлементов у всех видов растений в условиях загрязнения было более высоким. В сентябре и в условиях загрязнения, и в контроле количество Si, Mn, Pb, Fe по сравнению с июнем увеличилось в листьях всех видов растений (робиния, дуба, конский каштан, клен, липа, тополь), а Cu и Al – только у дуба обыкновенного, липы, клена и тополя.

При анализе хвои ели было зафиксировано увеличении с возрастом концентрации одних элементов (Ca, Al, Pb, Mn, Cd, Ni, Sr, S) и уменьшение других (P, K, Mg, N) [Mankovska et al., 1989;

Pfirrmann et al., 1989].

Критический предел, после которого происходит гибель хвойных, наступает при превышении концентрации серы в хвое по сравнению с контролем в 2 раза, а по цветным металлам – в 50-100 раз. При этом концентрация сернистого газа в воздухе была зафиксирована в пределах 0,05-0,61 мг/м3 [Сыроид, 1988].

В работе И.В. Лянгузовой [1990], посвященной аккумуляции химических элементов в экосистемах сосновых лесов Кольского полуострова, приводятся данные содержаний металлов в различных частях сосны, пробы которой отобраны в зоне воздействия промышленного объекта (таблица 8).

Таблица 8 - Среднее содержание химических элементов в различных частях Pinus sylvestris L. в фоновом районе и в условиях атмосферного загрязнения (в ppm) [Лянгузова, 1990] Часть дерева Ni Cu Co Fe Mn Cs Mg K Ненарушенные лесные экосистемы (65 км)* Хвоя 9 7,6 0,5 190 630 3040 630 Неохвоенные ветки 10 16 0,7 645 120 3450 430 Сухие витки 18 25 1,3 1755 185 4770 390 Древесина 0,5 2,1 0,5 13 50 515 200 Корни 1,9 2,9 0,5 300 90 590 720 Зона повреждения лесных экосистем (35 км)* Хвоя 40 30 Н.о 195 570 2900 600 Неохвоенные ветки 90 90 2,7 115 140 2020 470 Сухие витки 135 180 3,6 210 70 1470 125 Древесина 1,2 2,1 0,5 8,7 60 550 150 Корни 12 5,0 1,0 950 130 1020 970 Зона разрушения лесных экосистем (15 км)* Хвоя 260 120 7,1 240 290 2720 790 Неохвоенные ветки 250 270 7,7 180 90 2600 430 Сухие витки 400 880 10 390 16 2010 70 Древесина 3,2 4,2 0,5 12 44 630 160 Корни 94 38 Н.о 790 80 970 Продолжение таблицы Зона полной деградации лесных экосистем (2,5км)** Хвоя 470 85 16 430 80 2800 Н.о Н.о Неохвоенные ветки 210 120 8,7 235 25 2690 600 Сухие витки 310 300 15 400 20 2510 385 Древесина 5 4 0,5 30 15 700 225 Корни 205 120 5 410 25 450 675 Примечание: * Данные 1988г., ** данные 1981 г.

Автором было установлено, что допустимыми концентрациями никеля и меди в хвое сосны, не вызывающими визуально наблюдаемых признаков ее повреждения, являются концентрации в пределах 2-10 pmm. Критические значения индексов нагрузки (отношение концентрации токсиканта к его фоновому содержанию), связанные с повреждением растений, для сосны составляют – b(Ni)=30-35, b(Cu)=10-15. Повышенные уровни аккумуляции металлов в ассимилирующих органах сосны (никеля – более 100, меди – более ppm) вызывают усыхание деревьев и полную гибель лесных экосистем [Лянгузова, 1990].

Сопоставление содержаний ряда тяжелых металлов в хвое Pinus sylvestris (Zn, Sn, Cu, Ag, Bi, Ni, Co, V, Tl, Pb, Cd) в фоновых (Ойцовский национальный парк) и загрязненных местообитаниях (свинцово-цинковый комбинат «Болеслав») было осуществлено в работе польских авторов [Swicboda, Kalemba, 1985]. В целом чистый и грязный массивы леса имеют хвою, различающуюся по концентрациям указанных металлов в среднем в 2-6 раза, причем наиболее сильно по Zn, Sn, Co, Pb, Cd. В Ойцовском парке различия между хвоей 1-го и 2-го годов не были выражены, однако в загрязненных местообитаниях, вблизи комбината, максимальные содержания были отмечены в хвое 2-го года в древостоях старшего возраста.

О возрастных различиях в аккумуляции металлов не только хвоей, но также и самих древесных культур идет речь в другой работе [Simmleit et al., 1989], в которой анализировалось содержание твердых частиц в смывах с поверхности 5 и 30-месячной хвои Pinus abies из лесного массива в окрестностях г. Гессен (ФРГ). Концентрация твердых частиц линейно увеличивалась в среднем с 0,10 до 0,15 мкг/мм2 у 12-летних деревьев и с 0,15 до 0,58 мкг/мм2 – у 90-летних экземпляров, при этом последние характеризовались высокой частотой повреждений, чего у молодых деревьев не наблюдалось.

В работе Тэйлера [Tyler, 1972] дан сравнительный анализ содержания тяжелых металлов в различных видах растений елового леса северотаежной зоны и в слое подстилки, а также распределение токсикантов по различным органам ели.

Таким образом, по особенностям содержания загрязняющих веществ в сосудистых растениях можно сделать ряд выводов.

Имеется высокая вариабельность содержаний токсических веществ в различных видах растений, что объясняется различиями в процессе поглощения токсикантов и их соединений из воздушной среды или из почвы, особенностями перераспределения их между тканями и органами. Так, различная поглотительная способность загрязняющих веществ растениями из воздуха зависит от сорбционных свойств поверхностных тканей листовых пластинок, коры деревьев, а из почвы – от глубины залегания корневой системы, микоризоемкости, фракционного соотношения корней и т.д.

Величина аккумуляции загрязняющих веществ сильно различается между органами растений. Кора, например, сильно накапливает токсические соединения, древесина – очень слабо.

Имеются более тонкие различия в концентрации химических веществ растениями в зависимости от возраста частей растений (листва, хвоя, кора), а также возраста самой особи.

Достоверность химических данных о содержаниях металлов в растительных объектах (т.е. воспроизводимость аналитических данных, а также способность их объективно отражать изменение химической обстановки в окружающей среде) сильно зависит от пространственно-временных условий самой внешней среды, так как доказано влияние экологических условий (кислотность, скорость ветра, температура и т.д.), а также сезонных флюктуаций этих параметров на интенсивность поглощения и аккумуляцию токсикантов растениями.

Вариабельность субъективных различий в аккумуляционных свойствах отдельных видов возрастает по градиенту загрязнения. Различия между содержанием металлов в хвое разного возраста, недостоверные на фоновом уровне загрязнения, становятся вполне существенными при сильном загрязнении.

Необходимость стандартизации методов отбора проб растительности очевидна. Тонкие методы диагностики изменения химических параметров растений невозможны без учета таких данных, как видовая принадлежность, возраст особи, продолжительность жизни ее отдельных частей, места их расположения, условий экологической и техногенной обстановки мест обитания.

Для ориентировочных, «грубых» оценок техногенных аномалий допустимо формирование смешанных образцов, например из хвои разных возрастов, проб травяного или кустарничкового яруса методом взятия укосов.

1.4. Реакция сосудистых растений на действие загрязняющих веществ При отравляющем воздействии двуокиси серы на растительность выделяют три фазы воздействия [Paucke, Lux, 1982]: 1) стимулирование транспирации в начальной стадии поражения растения, 2) резкое повышение выделения воды после летального повреждения клеток, 3) резкое снижение выделения воды после нарушения осмотического давления. При этом отмечена прямая связь между интенсивностью поражающего воздействия токсичных газов и условиями роста растений, способствующими максимальному раскрытию устьиц (наличие света, оптимальная температура и влажность воздуха и т.д.).

Пример сокращения числа хвоинок в пучке и их длины у сосны [Негруцкая и др., 1981;

Давыдова 1982;

Выркина, 1984], уменьшение количества побегов 2-го порядка у тополя и ивы – все это наглядно иллюстрирует разнообразие реакций вегетативных надземных органов деревьев и кустарников на загрязнение.

Наблюдение за состоянием ассимиляционного аппарата древесных растений в условиях загрязнения атмосферы в окрестностях промышленного объекта осуществлялось многими исследователями [Антипов, 1975;

Сыроид, 1988;

Кулагин, 1974;

Поповичев, 1980;

Ставрова, Лянгузова, 1980;

Лянгузова, 1990а, в;

Черненькова, Сизов, 1986;

Ярмишко, 1990;

Черненькова, Макаров, 1997;

Huttenen et al., 1983;

Kirkwood et al., 1989;

Huttenen, Laine, 1981;

Linzon, 1971;

Schumacher, 1985]. Сосна обыкновенная является удобным объектом для токсикологических исследований из-за наличия широкой экологической амплитуды своего распространения, а также вследствие разнообразных биологических реакций в ответ на химическое воздействие на всех этапах онтогенетического развития.

Выявление особенностей изменения роста ветвей и хвои сосны в зависимости от степени техногенной нагрузки дает ряд диагностических признаков разной степени надежности в неблагоприятных условиях роста древостоев.

Хвоя пятилетнего возраста отсутствовала у деревьев на расстоянии до 10 км от завода, биомасса хвои других возрастов также уменьшалась в направлении нарастания уровня загрязнения как за счет сокращения массы отдельных хвоинок, так и из-за уменьшения их числа в силу ранней дефолиации. Соответственно степень охвоенности побегов, определяемая как отношение суммарной массы неохвоенных побегов к суммарной массе хвои, изменяется по направлению к источнику загрязнения следующим образом: 0,32;

0,57;

0,63;

1,09, а «коэффициент охвоенности» (отношение годичной продукции хвои к ее общей массе) – 0,17;

0,29;

0,39;

0,35.

Существенно дополняют картину повреждения сосновых древостоев, данные В.Т. Ярмишко [1990;

1997]. Наблюдения за ростом хвои и формированием фитомассы выявили закономерности, которые показали достоверные различия в густоте размещения хвоинок сосны на побегах, размерах и фитомассе побегов, занимающих с одной стороны, различное положение в кроне разного порядка ветвления, а с другой – в зависимости от степени воздействия металлургического комбината. В работах [Токарева, 1992;

Лукина, Никонов, 1993] изложены исходные результаты исследования для ели восточной в районе действия того же комбината.

По результатам данной работы можно выявить ряд параметров состояния сосновых древостоев, с разной степенью надежности диагностирующих уровень химического загрязнения. Так, на химический состав хвои влияют сложные химико-биологические процессы, выполняющие роль защитных механизмов выведения и интоксикации, поэтому содержание металлов в хвое лишь опосредованно указывает на дозу токсической нагрузки, в то время как содержание металлов в органогенных горизонтах почвы отражает ее более адекватно. Среди показателей роста вегетативной части деревьев состояние ассимиляционного аппарата является более надежным тест-объектом, тогда как рост неохвоенных участков побегов сосны коррелирует с уровнем загрязнения, что свидетельствует о возможном включении компенсаторных механизмов существования растений в экстремальных условиях. Показатели степени охвоенности ветвей в различных условиях техногенной нагрузки можно рекомендовать как наиболее индикационные значимые и доступные при проведении работ по биомониторингу. В работе Т.Г. Токаревой [1992] даны результаты измерения веса хвои ели европейской в различных зонах дигрессии.

Заметно существенное снижение веса хвои разного возраста при увеличении техногенной нагрузки.

В наших экспериментальных исследованиях по проращиванию семян сосны и ели на почве раной загрязненности обнаружено наличие эффекта стимулирования малыми дозами тяжелых металлов некоторых параметров роста растений, что отмечено также и по другим многочисленным данным [Черненькова, Сизов, 1986;

Черненькова, 1988].

Механизм токсического действия алюминия (раствор AlCl3 при концентрации 800-1200 мкм/см3) изучался при поливе указанным раствором проростков ели Picea abies [Golbold et al., 1988]. В течение первых 24 ч эксперимента наблюдалось уменьшение (63-73%) удлинения корней по сравнению с контролем. Далее рост корней продолжался с постоянной скоростью 0,2 мм/день. Происходило вытеснение Ca и Mg алюминием из коркового слоя корней, где его концентрация была в 8 раз выше, чем в хвое. При этом концентрация Ca и Mg снижалась и в хвое. Распределение в корнях Al, Ca, K и Mg было аналогичным распределению данных элементов в сеянцах ели из угнетенных насаждений в районе Золингена (ФРГ). Al концентрировался преимущественно в корневом слое и наружных стенках эпидермальных клеток и практически полностью отсутствовал в радиальных и внутренних стенках или паренхимных клетках цилиндров. Различная токсичность металлов была исследована на примере воздействия их на рост проростков ели в лабораторных условиях на питательном растворе [Goldbold et al., 1988]. Результаты эксперимента показали, что удлинение корней задерживалось при воздействии всех металлов, степень угнетения зависела от концентрации.

Майером [Mayer, Heinriches, 1981] описаны явления деградации корневой системы ели норвежской в Германии. Наиболее распространенными являются следующие симптомы: увеличение смертности тонких корней, возникновение патологической микоризы, повреждение эндодермы, изменение химического состава.

Представляется возможным выделить ряд причин отмирания деревьев под воздействием продолжительного химического загрязнения: сокращение жизни хвои, массовый некроз ассимилирующей поверхности, уменьшение размеров хвои, что ведет к увеличению общей ажурности кроны и уменьшению фотосинтезирующей площади, отмиранию корневой системы, усилению деятельности насекомых-паразитов и других фитопатогенных агентов, а также повышение чувствительности деревьев к климатическим стрессам (заморозки, засухи). Влияние внешних факторов среды, таких как резкие перепады температур, иссушение или переувлажнение верхних почвенных горизонтов, воздействие фитофагов и патогенных микроорганизмов, часто определяет практически полную гибель семян или проростков, существенно большую повреждаемость генетических и морфологических структур у взрослых растений.

Так, известно, что многие показатели состояния организма, в частности качества семян растений, варьируют от места нахождения исследуемых образцов.

Реакция травянистых растений на действие техногенных загрязнений в районе Иркутского алюминиевого завода изучалась Е.Р. Вайцеховской [1995]. В работе было показано, что общее число видов сокращалось в сильно загрязненных местообитаниях (3 км от завода) с 61 до 45, при этом доля участия лесных видов сокращается более резко (с 58 до 16 видов), а синантропных видов – увеличивается. Структура травяного яруса меняется за счет увеличения доли мелкотравья, что проявляется в увеличении числа побегов трав и их фитомассы в 3 раза при приближении к источнику выбросов. Изменение морфоструктуры толерантных синантропных видов в условиях снижения конкуренции за свет и питательные вещества способствовало интенсификации метаболических процессов, что привело к увеличению ассимилирующей поверхности и общей биомассы растений. Видимо, терминологическая неточность в определении местообитаний по степени загрязнений, такая как «высокая» и «низкая»

концентрация промышленных выбросов, дала возможность автору сделать подобную закономерность общей.



Pages:   || 2 | 3 | 4 | 5 |
 





 
© 2013 www.libed.ru - «Бесплатная библиотека научно-практических конференций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.