Бесплатный автореферат и диссертация по географии на тему

Антропогенное влияние на наземные экосистемы Степной зоны Украины (методология исследования, оценка, прогноз)

ВАК РФ 11.00.11, Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов

Автореферат диссертации по теме "Антропогенное влияние на наземные экосистемы Степной зоны Украины (методология исследования, оценка, прогноз)"

российская академия наук

ИНСТИТУТ ПРОБЛЕМ экологии и эволюции им. А, Н. СЕВЕРЦОВА

На правах рукописи ГРИЦАН Наталья Петровна

УДК 504.054; 504.064

АНТРОПОГЕННОЕ ВЛИЯНИЕ НА НАЗЕМНЫЕ ЭКОСИСТЕМЫ СТЕПНОЙ ЗОНЫ УКРАИНЫ (МЕТОДОЛОГИЯ ИССЛЕДОВАНИЯ, ОЦЕНКА, ПРОГНОЗ)

11.00.11 — охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени доктора биологических наук

Москва

Работа выполнена в Институте пройдем природопользования к экологии Национальной Академии Наук Украины

Официальные оппоненты;

Член-корреспондент НАН Украины,

доктор биологических наук, профессор А.П.ТРАВЛЕЕВ

Доктор биологических наук, прсфеосор В.Б.КУВАЕВ

Доктор географических наук, профессор В.С.ЗАЛЕТАЕВ

Ведущее научное учреждение: Московский государственный университет им. М.В.Ломоносова, факультет почвоведения

Защита диссертации состоится "_"__ 1995 года

в "_" часов на заседании специализированного совета

Д.002.48.03 при Институте проблем экологии и эволюции им. А.Н.Северцова РАН. . „

Н707Г, Москва, В-71, Ленинокий проспект, 33

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института проблем экологии и эволюции им. А.Н.Северцова РАН

Автореферат разослан 11_"_ 1994 года

Ученый секретарь специализированного совета кандидат географических наук

И.НЛНКОВСКАЯ

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы. Степнов Приднепровье является старопромншленннм регионом, территория которого в настоящее время практически полностью преобразована в индустриально-сельскохозяйственный ландшафт. Более или менее естественные биогеоценозы, приуроченные, главным образом, к поймам рек, оврагам и балкам, сохранились лишь на 0,5% площади Приднепровского региона на территориях различных категорий запо-веданности. Серьезные экологические проблемы региона, резко обострившиеся в пооледние десятилетия, привели к необходимости интенсификации фундаментальных и прикладных исследований в области охраны окружающей среды и рационального ио-польз ования•природных ре сурсов.

Биологический аспект исследований состоит в: I) разработке теории и методов исследования состояния и изменений в пространственно-распределенных биологических системах разного уровня организации на фоне конкретных географических условий; 2) проведения экспериментальных исследований по определению отклика биотической составляющей природных экосистем на антропогенное воздействие; 3) определении приоритетных факторов и эффектов этого воздействия; 4) выявлении функциональных зависимостей между ними; 5) изучении устойчивости и нормировании техногенных нагрузок на природные экосистемы.

Оценка качества окружающей природной среды необыкновенно сложна, а существующая сегодня неопределенность критериев качества значительно усугубляет проблему. Что касается степных зон, где естественные степи целиком распаханы, то вопросы выбора показателей оценки состояния биогеоцено- • зов для научно обоснованного экологического нормирования, прогноза, оздоровления и стабилизации экологической обстановки стоят чрезвычайно остро.

Решению задач разработки методологии комплексной оценки состояния природных экосистем и ее практического применения с целью оптимизации природопользования в зоне степей Юго-Востока Украины в условиях мощного антропогенного воздействия и посвящена данная работа.

Цель и задачи исследований. Целью настоящей работы являлась разработка и научное обоснование системы комплексной оценки состояния биогеоценозов техногенных территорий степных зон и проедание на ее оонове практических исследований для осуществления контроля и прогнозов изменений в природных экосистемах, для функционирования биоэкологического блока региональной системы экологического мониторинга "Приднепровье", для регулирования уровня антропогенной нагрузки на окружающую ореду, для разработки рациональных охем природопользования.

В соответствии с целью исследований наш предусматривалось решение следующих задач:

1). Разработать теоретические основы системы комплексной оценки состояния биогеоценозов степнцх зон в условиях полностью видоизмененных человеком ландшафтов.

2). Изучить характер и уровень загрязнения наземных экосистем региона, определить приоритетные загрязнители.

3). Согласно разработанной методологии провести натур-1 ные исследования и дать оценку состояния природных популяций по комплексу генетических, физиолого-биохимических, экологических и биогеохимических показателей. С помощью корреляционного анализа выявить факторы, вызывающие сдвиги

в соотоянии наземных- экосистем в наибольшей степени.

4). Используя методы математического моделирования выявить региональные особенности биогеохимических циклов элементов-загрязнителей и закономерности их взаимодействия между ообой в растениях и почвах.

5). Установить функциональные зависимости отклика биотической составляющей наземных экосистем на загрязнение окружающей среды, ориентированные на получение прогноза изменений состояния биогеоценозов при различных сценариях развития народно-хозяйственного комплекса в региональных эко-лого-экономических моделях.

Научная новизна работы. В результате теоретических и .практических наследований разработана методология оценки состояния наземных экосистем техногенных территорий степных зон Юго-Востоке.Украины, вклв&ающая критерии выбора мест и объектов в исследованиях такой направленности, требования

к показателям качества окружающей природной ореды. Впервые предложена комплексная система биоэкологических показателей, характеризующая ооотояние наземных экосистем на генетическом, физиолого-биохимическом, морфологическом, экологическом, биогеохимическом уровнях, базирующаяся как на наиболее объективных, так и на наиболее доступных о точки зрения затрат труда и материальных средств методах получения данных.

Впервые дана простая схема перехода от многокритериальной оценки к-однокритериальной путем введения интегрального (приведенного) биологического показателя (ИБП), учитывавшего всю совокупность разнообразных данных.

Для количественной характеристики опектра и уровня яа-,грязнения окружающей природной среды впервые введены следующие коэффициенты: коэффициент загрязнения для отдельного элемента; коэффициент недостаточности для отдельного элемента; интегральный коэффициент загрязнения для ряда элементов; интегральный коэффициент недостаточности для ряда элементов; коэффициент дисбаланса элементов.

На основании вышеуказанных интегральных показателей разработаны принципы ранжирования территории по степени напряженности экологической ситуации.

Впервые в зоне наотоящих степей юго-восточной Украины проведены комплексные натурные исследования состояния наземных экосистем на 46 тест-полигонах, в результате которых впервые дана количественная сйенка спонтанного и индуциро-. ванного мутагенами окружающей среды уровня мутирования, определяемого процентом аберраций хромосом в меристемах растений; показано изменение продукционных прсцеосов в зависимости от градиентов антропогенного воздействия; изучена активность почвенных ферментов и количественный состав микрот педофауны.

Исследованы характер и степень загрязнения наземных экосистем городов и сельских районов Приднепровского региона 17 элементами, выявлены приоритетные' загрязнители. Предложена шкала и проведено ранжирование территории по величине интегрального показателя экологической напряженности.

В результате математической обработки всего массива полученных данных установлены взаимосвязи и взаимозамен- ,

мости между элементами-загрязнителями окружающей ореды, а также функциональные зависимости между оопряженннми признаками, которые легли в основу биоэкологического модуля разрабатываемой $ Институте проблем природопользования и экологии Национальной Академии Наук Украины эколого-экономи-чеокой модели региона.

Практическое значение -работы. Материалы диссертации являются основой для разработки принципиально новых, научно обоснованных практических рекомендаций для целей экологического нормирования и оптимизации регионального природопользования.

Разработанная автором методология комплексной оценки состояния природных экосистем является базовой в биоэкологическом блоке функционирующей в регаоне региональной системы экологического мониторинга "Приднепровье".

Основные выводы и количественные характеристики использованы Днепропетровским управлением по экологии при горисполкоме для выделения зон особого экологического кон- 1 троля, составления экологического паспорта города Днепропетровска.

Функциональные зависимости отклика биотической составляющей наземных экосиотем на антропогенное воздействие вошли необходимой составной частью в биоэкологический модуль разрабатываемой в Институте проблем природопользования и экологии НАН Украины эколого-экономической модели региона.

Результаты исследований, постоянно используются в экологическом образовании и входят в курсы легарй, читаемых в Днепропетровском государственном университете, Днепропетровской медицинской академии и других вузах города.

Основные положения, выносимые на защиту. На основании выполненных научных исследований, обобщения собственных и литературных данных на защиту выносятся следующие положения:

1). Методология комплексной оценки состояния и загрязнения наземных экосистем, находящихся в степных зонах в уо-ловиях интенсивного антропогенного воздействия.

2). Количественная биоэкологическая оценка состояния наземных экосистем и характеристика спектра и уровня их

загрязнения.

3). Совокупность полученных автором эмпирических закономерностей отклика биотической составляющей наземных экосистем в зависимости от характера и степени антропогенного воздействия.

Апробация работы. Материалы диссертации обсуждались на УШ съезде Всесоюзного ботанического общества по актуальным вопросам ботаники в СССР (Алма-Ата, 1988), Республиканской научной конференции "Рациональное использование, охрана, воспроизводство биологических ресурсов и экологическое воспитание" (Запорожье, 1988), Республиканской научно-техни-чеокой конференции "Агроэкологическая обстановка на сельскохозяйственных угодьях Украинской ССР и пути снижения их загрязнения токсическими веществами" (Черкассы, 1989), Республиканской научно-техничеокой конференции "Малоотходные технологические процессы и сокращение промышленных выбросов в металлургической промышленности" (Запорожье, 1989), Республиканской научно-технической конференции по проблемам и опыту охраны окружающей среды (Киев, 1990), Всесоюзной конференции по экологическим проблемам охраны живой природы (Москва, 1990), Всесоюзной научной конференции "Растения и промышленная среда" (Днепропетровск, 1990), Всесоюзной конференции по проблемам устойчивости биологических систем ' (Севастополь, 1990), научной конференции по проблемам эко-информатики (Москва, 1992), научно-практической конференции' "Фтор. Проблемы экологии, биологии, медицины, гигиены"(Полтава, 1993), Республиканской научно-практичеокой конференции по проблемам использования социально-экономического и при-родно-ресурсного потенциала региона (Луцк, 1993), международной научной конференции "Промышленная ботаника: состояние и перспективы развития" (Кривой Рог, 1993), научной конференции по проблемам землепользования в условиях реформирования экономики (Кацивели, 1993), научной конференции "Подвижные формы токсичных элементов в почвах Украины" (Киев, 1993), научно-практической конференции по проблемам Нико-поль-Марганец-Энергодарсного района (Марганец, 1993), научной конференции международного общества по исследованию Фторидов (Пекин, 1994), а также на заседаниях Ученого сове- *

та Института проблем природопользования и эколотаи Национальной Академии Наук Украины, научных конференциях и совещаниях, проводимых Приднепровской секцией Научного оовета HAH Украины цр проблемам биосферы, биологическим факультетом Днепропетровского госуниверситета, Днепропетровским управлением по экологии.

Публикация •результатов исследований. По материалам диссертации опубликовано 37 работ.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 7 глав, заключения, списка использованной литературы, включающего 577 источников, и изложена на' 335 страницах, иллюстрирована 61 таблицей и 23 рисунками.

Основой для написания диссертации послужили исследования автора, проведенные в течение 1988-1993 гг. при выполнении госбюджетных и хоздоговорных тем, разрабатываемых Институтом проблем природопользования и экологии Национальной Академии Наук Украины, номера гоорегиотрации которых: 01.89.0048539, 01.910029740, 0193У030163 , 01.937009456.

Глава I. ИСТОИИ И COBPU.1EHHOE СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ

Обобщение и аналитический обзор литературы по проблемам всестороннего анализа природной среды, биомониторинга и биоиндикации антропогенных воздействий, устойчивости экосистем, допустимой экологической нагрузки на природные экосистемы показали недостаточную изученность вопроса оценки качества природной среды степных зон, которые к настоящему времени изменены человеком настолько, что практически полностью превратились в искусственные агро-промышленные ландшафты. Анализ накопленного учеными опыта и результаты собственных исследований позволили разработать методологию изучения и комплексной оценки состояния наземных экосистем

техногенных территорий степей Украины.

I

Глава 2. МЕТОДОЛОГИЯ ИССЛЕДОВАНИЯ СОСТОЯНИЯ И УРОВНЯ ЗАГРЯЗНИМ БИОГЕОЦЕНОЗОВ

Обще положения. На природные экосистемы в условиях

интенсивного антропогенного влияния дейотвует целая суша негативных факторов, которая вызывает различные эффекты на конкретном экологическом естественном фоне. Для достоверно- • го отделения антропогенных изменений от естественных колебаний состояния, экосистем предполагается непременное проведение контрольных исследований в районах с фоновыми характеристиками (или близкими к таковым). Причем решение должно основываться на общебиологических и эволюционных соображениях.

Для правильного выбора критериев оценки качества окружающей природной среды необходимо учитывать особенности конкретного изучаемого региона. Так, Приднепровский регион расположен в степной зоне. Степь - планетарное физиков географическое явление, своеобразный тип природной среды, особая категория ландшафта, свойственного северному внетро-пическому псясу. Степной тип растительности, характеризующийся преобладанием ксероморфных, о интенсивным укоренением, злаков, имеет преимущественное развитие в континентальных зонах умеренных широт о суровой зимой и засушливым концом лета. Однако в Приднепровском регионе естественных степных биогеоценозов практически не осталось, лишь кое-где сохранились маленькие степные целинки. Степень распаханности земель здесь самая высокая на Украине и составляет примерно 80% территории. Байрачные и пойменные леса, полезащитные лесополосы и другие насаждения занимают около 2,7% площади ■ региона.

Таким образом, исторически сложившееся экосистемное разнообразие данного региона полностью нарушено. Появление новых ландшафтов резко изменило его облик, дестабилизировало круговорот веществ и поток энергии. Поэтому те критерии,-которые используются для изучения естественных лесных биогеоценозов, не все и не всегда подходят. Это, например, касается такого объективного общебиологического и информационного показателя, как вгтдовое разнообразие. Для данного региона этот критешй неприемлем для мониторинговых иссле-довлний, поскольку естественных степей и лесов практически нет, а искусственные насаждения порой представляют собой монокультуру. По это4 же причине не подходит широко применяемая*

в других природных зонах лихеноиндикация.

Таким образом, нами разработана методология биоэкологической оценки состояния наземных экосистем техногенных территорий стенных зон и уровня их загрязнения.

Критерии выбора тест-полигонов. I). Ландшафтно-геогра-фический. Возникновение, существование и развитие биогеоценозов происходит в конкретном географическом пространстве. Каждая территориальная единица характеризуется присущим только ей набором видов ландшафтов. Наземные экосистемы, выбираемые в качестве индикаторных, должны быть однотипны на разных тест-полигонах, репрезентативны с точки зрения природной зоны и расположены в ядрах типичности ландшафтов. Территориальной единицей может быть одна из таксономических единиц типологического ландшафтного районирования в зависимости от масштаба: класс ландшафтов- тип ландшафтов - вид ландшафтов - местность - урочище - фация Д1ихели, 1993/.

2). Техногенный. Предполагается предварительная инвентаризация и характеристика состава и объемов загрязнителей. 1 Учитывается расположение по отношению к источникам загрязнения. Принимается во внимание тип использования наземной экосистемы в народном хозяйстве.

3). Экспедиционно-маршрутный. Если тест-полигон посещается только во время экспедиционных исследований, то определенное значение играет наличие подъездных дорог, удобство для проведения наблюдений, близость агрохимических станций

и постов санэпидем- и гидрометеослужб.

Тест-полигоны должны покрывать исследуемую территорию сетью достаточной плотности.

Критерии выбора тест-объектов. Некоторые об!Пие принципы отбора популяций видс£-индикаторов следующие: I) это должны быть массовые виды, являючшеся типичными представителями флоры или Фауны соответствующей природной зоны; 2) выбраннге виды должны быть видами-эдиД'икаторами, представляющими основу биогеоценоза и играющим! главную роль в создании биоцпнотической среды; 3) видн-индикаторы должны бить представлены в разных частях региона, в разных типах ландшафтов, при разном уровне п хпряктере антропогенного воздействия; 4) они долтл:п отлто-тгься устоЧт.гостью (чу?.-

ствительностью) к комплексу загрязнителей окружающей среда; 5) должны отражать характер существующего в регионе природопользования. Для растений-биоиндикаторов ваяно, чтобы они имели ежегодную периодичность семеношения.

Требования к показателям опенки состояния биогеоценозов. Показатель оценки состояния биогеоценозов должен:

1) отражать неспецифические ответы биологических оистем на разнообразные виды антропогенного воздействия, что позволит рассматривать его в качестве индикатора сочетанного действия многих синхронно действующих антропогенных факторов;

2) быть количественным, обеспечивать воспроизводимость и точность результата + 10-15$, давать возможность прогнозных оценок; 3) позволять оценить эффект воздействия в масштабах всего сообщества, то есть обладать максимальной экологич-ностью оценки; 4) быть чувствительным и инерционным;

5) обеспечивать однозначность толкования (однозначность до-зовой зависимости, позволяющей экстраполировать его в область других дозовых нагрузок); 6) учитывать биологические особенности вида-индикатора; 7) иметь сопоставимость о результатами, полученными для .других географических условий, и возможность корреляции о другими показателями; 8) быть экономичным по затратам труда, времени и средств; 9) быть неспецифическим общим параметром жизнедеятельности.

Подходы к разработке системы биозкологических показателей. I). Генетический подход. Генетический подход занима-' ет особое - основополагающее место в исследованиях популяций наземных экосистем. Это центральное положение определяется тем, что устойчивые, эволюционно значимые изменения любых - экологических, морфологических, физиологических и других свойств популяции обязательно должны быть связаны с из--менением генетической структуры популяции.

На необходимость исследования уровня мутабильности указывают многие исследователи /Акифьев, Г'еляав, 1989; Алиха-нян, АкиФьев, Чернин, 1985; Алтухов, 1983; Архкпчул, Рома-ненко, Архипчук и др.,1992; Ауэрбах, 1978;"Генетические последствия...", 1977, 1980; Гриних, Шевченко В.В., Шевченко В.А.,1991; Дубинин, 1976; Дубинин, Пяшин, 1978; Зямчук, 1992; Инге-Вечтомов, Шварцман, Павлов, 1991; Лекявичюс,

1983; Порошенко, Горькова, 1989; Турков, Шелепина, 1980 и др./. Изменение мутагенности факторов среды для всех органических форм ведет к нарушению важнейшего эволюционного овойства видо^ух популяций, к подъему мутабильнооти, выводящему процесс мутаций за пределы эволюционно созданного механизма оптимального мутирования. Поэтому важным является изучение ныне существующего спонтанного и индуцированного мутагенами среды уровня мутирования.

Положительное значение этого показателя заключается в том, что это неспецифический общий параметр жизнедеятельности, свидетельствующий о норме реакции популяции. Это чувствительный показатель, обладающий однозначностью толкова. ния, то есть для него характерна однозначная дозовая зависимость (повышение уровня мутирования всегда плохо для популяции). Для этого критерия возможна корреляция о другими показателями, он применим для прогнозных оценок. К тому же, метода исследований относительно просты и дешевы, но требуют, однако, достаточно высокой квалификации сотрудника. 1

Методы исследований: анафазный метод учета количества и спектра аберраций хромосом в меристематических тканях раотений /Паушева, 1989/; метод учета хлорофильных мутаций ячменя /Гарина, 1977/; вычисление митотического индекса /Еердышев, Голда, Зуй, 1984/; учет стерильных и фертильных пыльцевых зерен ДГаупева, 1989/.

2). Физиолого-биохимический подход. Из огромного количества используемых показателей мы выбрали один из наиболее информативных, присущих всем живым организмам, ••проотой в определении и дешевый с точки зрения затрат труда и средств-активность пероксидазы листьев растений и почв. Пероксида-за - один из ключевых ферментов биоты, ответственный за расщепление перекиси водорода - токсического и мутагенного продукта жизнедеятельности - до кислорода и воды. Это не-опецифический общебиологический параметр, очень реактивный, пригодный для ранней диагностики изменений. Однако он не обладает однозначной дозовой зависимостью, хотя, как правило, наблюдается дозозависимое повышение-активности фермента при воздействии стрессорт1х факторов /Головко, Табален-кова, Гляд, 1992; Завьялова, 1992; Кортиков, Тарабрин,

Бойко, 1987; Ленинджер, 1986 и др./.

3). Морфологический подход состоит в изучении морфологических признаков тест-объектов, то есть любых, поддающихся сравнению, структурных особенностей. Он позволяет выделить сложную иерархию морфологических различий между • отдельными популяциями, дает возможность изучать изменчивость отдельных признаков внутри популяции и между разными популяциями, анализировать направленность отбора. Такой, подход дополняет другие,

К морфологическим видоизменениям относятся видимые повреждения растительности различными загрязнителями. Методы исследований просты, достаточно показательны, наглядны, не требуют дорогостоящего оборудования. Однако морфологические показатели имеют очень сильную вариабельность, неоднозначность толкования и не решают проблему малых доз.

4). Экологический (биогеоценотический) подход означает выяснение связей популяций как целостностных сиотем о внешними (по отношению к ним) факторами, исследование вещественно-энергетических параметров популяции. Прежде всего имеется в виду общая численность и динамика популяций, репродуктивная способность, возрастная и половая отруктура, плотность, биомасса, продуктивность.

Продуктивность, так же как и предыдущие показатели, является неспецифическим общим параметром жизнедеятельности, достаточно чувствительным и реактивным. Материально-энергетичеокий обмен между живыми организмами и внешней средой - основа всех экологических процессов. Чистая первичная продуктивность растительного сообщества - биологический эквивалент используемой биогеоценозом энергии. В этом заключается положительное значение данного показателя.• Однако отрицательным является то, что он обладает очень высокой вариабельностью, неоднозначностью толкования (то еоть неоднозначной дозовой зависимостью, например, на территориях зябодов при чрезвычайно высоких концентрациях в воздухе оксидов азота наблюдается сильный прирост биомассы растений /Пявликова, IS86/).

Б стабильных сообществах первичная продукция обычно полностью расходуется на авто- и гетеротрофное дыхание, так

что в конце годового цикла имеется лишь небольшая чистая продукция или же ее совсем не имеется /Лархер, 1978; 0дум, 1985/. Некоторые типы загрязнений в зависимости от объема и периодичности действия могут оказаться благоприятными факторами, увеличивающими продуктивность (например, минеральные удобрения, сточные воды, газообразные выброоы и др.). Этот показатель не позволяет решать проблему малых доз, не имеет четких корреляционных связей с другими показателями (например, в облученном сообществе нарушаются существующие в нормальных условиях корреляции между ростом отдельных частей и органов растений и изменением их общей биомассы, в результате"чего оценка в масштабе ценоза будет заведомо ошибочной /Лоренс, Вайниггейн, 1982/).

Одним из важных аспектов этой проблемы является исследование изменений в содержании зеленых пигментов растений -хлорофиллов - самого главного звена продукционного процесса /Баженова, Арутюнян, Алтунян, 1988; Грицан, 1992; Завьялова, 1992; Новиков, 1989; Фарафонов, 1991 и др./.

Анализ спилов и кернов древесных раотений дает ценную и комплексную информацию. Разработка Н.В.Ловелиусом Д979/ направления научных исследований - "дендроиндикация природных процессов и антропогенных воздействий" позволяет успешно использовать характер реакции растений (прирост годичного кольца) для определения количественных и качественных изменений среды.

Исследование репродуктивных особенностей биоиндикаторных популяций является составной частью мониторинговых исследований /Ануфриева, 1988; Бессонова, Грицай, 1993; Лопатин, Росоловокий, 1988; Лутанокий, Калинин, 1990; Петров, 1985 и др./. Для репродукционных показателей положительным является то, что это неспецифические общебиологические, достаточно реактивные и одни из ведущих показателей устойчивости популяции, но недостатком является то, что они не обладают однозначностью толкования.

Жизнеспособность семян является одним из интегральных биоэкологических показателей. Гибель на ранних стадиях развития, когда эмбрион развива'ётся еще достаточно автономно по отношению к окружающей среде, отражает внутреннее состо-

янив системы, степень ее сбалансированности, способность к самовоспроизведении и самосохранению /Романовокий, 1993 и др./.

При биогеоценотическом подходе я изучению состояния природных экосистем одним из наиболее важных показателей почвенных уоловий и состояния почв является численность и разнообразие коллембол. Ногохвостки - беспозвоночные почвенные ге-теротрофн, обитатели почвенного и подстилочного ярусов, уже в силу опецифики самого места их обитания, являются группой животных, в наибольшей мере испытывающей прямое и косвенное воздействие антропогенных нагрузок. В культурном ландшафте микропедофауна, в том,числе коллемболы, может оказаться по-' оледним "реликтом" естественного животного населения почвы. Показано, что на нарушенных и загрязненных территориях, недостаточное развитие или угнетение микропедофауны приводит к накоплению опада, исчерпанию биогенных элементов в почве, то есть к торможению процессов почвообразования, что резко отрицательно сказывается на работе всех звеньев биологического круговорота / Еабенко, 1984; Вияров, Писаржевский, 1987; Стебаева, 1985; Сухова, 1990; Таращук, 1984; Хотько, 1992; Чернова, 1988 и др./.

5). Еиогеохимический подход. Загрязнение среды, в особенности химическими веществами, - один из наиболее сильных факторов разрушения компонентов биосферы. Все изменения антропогенной природы нарушают естественный биогеохимичеокий • балано каждой экосистемы, сформировавшийся в течение длительного периода геологического времени. Резкий одвиг био-геохимичеокого состава чаще всего ведет к деградации природной среды, поэтому контроль, оценка и прогноз содержания загрязняющих веществ в различных компонентах биогеоценозов является непременной составной частью экологичеокого мониторинга.

Чтобы установить, имеется ли аномалия концентрации некоторого элемента или вещества,'необходимо знать его фоновое значение для данного объекта. Коэффициент аномалии концентрации (Ка) данного элемента в объекте определяется по отношению фактического (С[_) к фоновому (С ^ его со-

дер« Ка = С, / С- фон

Таким образом, если С^ фон, то KQ = I, то есть аномалия концентрации отсутствует. Исходя из логики рассуждений ввели следующие коэффициенты.

Коэффициент загрязнения для отдельного элемента (С3):

Са = £--"I

Коэффициент недостаточности для отдельного элемента

Сц <рон

Для характеристики загрязнения конкретного тест-полигона по ряду элементов (или веществ) ввели интегральный (приведенный) коэффициент загрязнения (Сд):

С Ч """ П — ( о • ~~ ^ )

-3 " 1=1 Сьфон Аналогично - интегральный (приведенный) коэффициент недоотаточнооти по ряду элементов (С„): Н .п С;. .

£н ~ ~п — (^ ~ ?г; ' " " исдюн

формуле:

Коэффициент дисбаланса элементов (Сд) определяется по

Ни один биологичеокий показатель тз отдельности, насколько бы он ни был информативен, не может охарактеризовать состояние биогеоценоза и функционирование его биотической составляющей о достаточной степенью приближения. Только система биоэкологических показателей, характеризующая разные стороны существования и функционирования природной экосистемы, может дать более или менее объективную оценку. Для объединения разнообразных биологических показателей и перехода от многокритериальной оценки к однокритериальной наш разработан интегральный (приведенный) биологичеокий показатель (ИБП): п п.

ИБП^О^О, .

П{. - величина конкретного исследованного-I-того биологического показателя; - его Значение в контроле; п - количество исследованных биологических показателей.

- 17 -

Для ранжирования территории по степени загрязнения и напряженности экологической ситуации наш предложен интегральный показатель экологической напряженности (ИПЭН), который объединяет коэффициент дисбаланса элементов для конкретной наземной экосистемы (Сд) и отклик ее биотичеокой составляющей, определяемый по интегральному (приведенному) биологическому показателю (ИБП):

ИПЭН = Сд + ИБП .

ИПЭН - величина относительная, так же как и входящие в него два других интегральных показателя.

Применение математических методов для выявления взаимосвязей. Функциональных зависимостей и прогноза является логическим завершением и необходимым этапом исследований.

Общая структура методологии комплексной оценки состояния и загрязнения наземных экосистем техногенных территорий степных зон представлена в виде блок-схемы на рио. I.

Глава 3. ОСНОВНЫЕ НАПРАЛЕНИЯ, РАЙОН, ОБЪЕКТЫ И МЕТОДО ИССЛЕДОВАНИЙ

Краткая характеристика природно-климатических уоловий района исследований включает описание геологического отроения и рельефа, подземных вод, климата, почв, раотительного и животного мира Приднепровского региона.

Народное хозяйство Приднепровокого региона имеет индустриально-аграрную ориентацию. Ведущей отраслью является промышленность, в которой занято около 37$ работающих в народном хозяйстве. В совокупной валовой продукции промышленности и сельского хозяйства на долю промышленности приходится 85,8$, а сельского хозяйства - 14,2$. В структуре промышленности главное место занимает черная металлургия (44,8$ от валовой продукции), машиностроение и металлообработка (Но 22$), пищевая, химическая и нефтехимическая промышленность. На территории региона размещено более 40 шахт и 18 крупнейших карьеров по добыче железных и марганцевых руд.

Ежегодно из всех источников выбросов в атмосферу региона попадает более 3 млн.т пыли и газов, в водоемы сбрасыва-

I

Рис. I. Методология комплексной оценки состояния и загрязнения наземных экосистем техногенных территорий степных зон

Коэффициенты: Ка - аномалии концентрации элемента; Сз -загрязнения для одного элемента; Сн - недостаточности для одного элемента; Сд - дисбаланса элементов; Сз -загрязнения для ряда элементов; Сн - недостаточности для ряда элементов. ИБП - интегральный биологический показатель. ИПЭН- интегральный показатель экологической напряженности

ется около 3 млрд.м3 сточных вод и более 3 млрд.м3 жидких и твердых отходов аккумулируется в отвалах и накопителях.

Объекты исследований. Практическое пршенение разрабо- ' танной нами методологии биоэкологической сценки состояния наземных экосистем техногенных территорий степных зон было осуществлено в рамках действия системы экологического мониторинга "Приднепровье". На исследуемой территории было выбрано 46 тест-полигонов в городах и сельскохозяйственных районах. В качестве контрольного был взят тест-лолигон в районе с.Бабайковка (Царичанский район Днепропетровской об-лаоти), который наиболее удален от промышленного воздействия. На всех тест-полигонах объектами исследований являлиоь наземные экосистемы, видом-эдификатором которых была акация белая, а почвы - чернозем обыкновенный малогумусный средне-суглинистый.

Методы исследований. Для реализации программы исследований нами были использованы следующие методы.

Исследование генетических последствий действия комплекса антропогенных факторов на высшие растения проводили на временных давленых препаратах из корневой меристемы пророот-ков семян по общепринятым в цитогенетике методикам /Берды-шев, Голда, Зуй, 1984; Паушева, 1988/: биологический материал фиксировали в ацеталкоголе (96% этиловый спирт и ледяная уксусная кислота 3:1), окрашивание осуществляли по Фйльгену, окрашенный материал хранили в 70$.этаноле. Для изучения количества и спектра аберраций хромосом нами попользовался анафазно-телофазный анализ /Паушева, 1988/. По каждому опытному и контрольному варианту было просмотрено не менее 1000 анафаз. Применялся световой микроскоп "Биолам Л 212" (увеличение 900), фотонасадка "МФНЭ-I" и фотопленка "Микрат 300".

Устанавливали количество золы в растениях /"Методы биохимического...",1987/ и почве /Радов, Пустовой, Корольков, 1985/, массу 1000 семян, процент табели зародышей семян (семена проращивали на дистиллированной воде). Количество хлоро^иллов и активность пероксидазы листьев определяли по Б.П.Плешкову /1985/, ферлентативную активность почв (активность пероксидазы почвы) - по Ф.Х.Хазиеву /1976/.

Биоиндикационную оценку состояния почвы по количеству ного-хвосток (коллембол) проводили по М.С.Гилярову Д987/ и Н.М.Черновой /1988/.

Определение тяжелых металлов в пробах растений и почв проводилось атомно-абсорбционным методом /"Методы биохимического...",1987/, натрия и калия в растениях и почве - на пламенном фотометре /Радов, Пустовой, Корольков, 1985/, фторидов в растениях - потенциометрически о применением ион-селективного электрода /Хаземова, Радовская, Круглова, 1985/, фторидов в почве - по Л.А.Хаземовой, Т.Л.Радовокой, А.В.Селезневой и др./1979/.

Математическая обработка полученных результатов про-водилаоь с помощью пакетов прикладных программ на персональном компьютере АЕМ/РС, в основе которых лежат общепринятые методы вариационной статистики /Лакин, 1973/.

Анализ проб воздуха на загрязняющие вещества, в том числе и на тяжелые металлы, осуществлялся гидрометеослужбой г.Днепропетровска, результаты которого были любезно предо- ' ставлены нам для обобщения и математической обработки.

Инвентаризация источников загрязнения атмосферы, установление ингредиентного состава и валового количества выбросов проводилиоь на основании форм государственной статистической отчетности '•' 2 ТП - Воздух".

Глава 4. ЗАГРЯЗНЕНИЕ ЕИ0ГЕСЦЕН030В

Фоновые концентрации элементов в растениях и почве. Проведя анализ многочисленных литературных источников и опираясь на результаты собственных исследований, нами определены аначения концентраций элементов в растениях и почва, которые являются фоновыми для данного региона и которые легли в основу рассчета коэффициентов аномалий концентраций элементов в разных компонентах наземных экосистем.

Загрязнение атмосферы. Техногенное загрязнение атмосферы Приднепровского региона достигло очень высоких значений. Так, среднемноголетние (1986-1993 гг.) концентрации пыли и газов в атмосфере г.Днепропетровска составляли: пыль - 0,2, диоксид серы - 0,01, оксид углерода -1,7, диоксид азота -

0,04 мг/м3, г.Кривого Рога соответственно - 0,42, 0,12, 2,1 и 0,06 мг/м3, г.Павлограда соответственно - 0,36, 0,08, 1,9 и 0,1 мг/м3. Содержание хрома, свинца, марганца, цинка, никеля и кадмия в атмосфере городов Днепропетровска, Днепродзержинска и Кривого Рога в среднем в 2-80 раз вше фоновых значений, а среднемноголетняя концентрация меди в атмосфере г.Днепродзержинска почти в 700 раз больше фона. В спектр загрязнителей входят также фенол, аммиак, формальдегид, фториды, бенз(а)пирен и другие вредные вещеотва.

Загрязнение растений и почв. Спектры загрязнения рао-тений и почв городов (на примере г.Днепропетровска) и сельских районов Приднепровья показаны на рио. 2 и рио. 3 соответственно, а средние значения концентраций элементов - й табл.1.

Таблица I

Средние значения концентраций элементов в раотеииях и почвах г.Днепропетровока и сельоких районов региона (мг/кг сухого вещеотва)

Элемент г.Днепропетровск Сельские районы

растения почва растения почва

Магний 4464 3589 41 (Ж 4884

Хром 15 42 12 41

Марганец 88 79Г 100 662

Железо 1821 27913 813 20643

Кобальт 7,5 II 7,5 12

Никель 8 16 14 19

Медь 13 29 10 18 .

Цинк 35 126 19 70

Кадмий I I I I

Свинец 13 27 II 16

Алюминий 986 27372 691 33613

Кальций 33999 23644 26532' 15421

Калий 10222 10412 11126 13189

Натрий 589 4100 625 . 4242

Фтор 38 387 19 320

Молибден 20 20 20 20

Серебро I I I I

Тяо.2. Спектр загрязнения'растений и почв города Днепропетровска

Рис. 3. Спектр загрязнения растений и почв сельских районов Приднепровья

Среднее содержание калия в растениях исследованных 46 тест-полигонов практически одинаково и близко к фоновому. Исключение составляет г.Кривой Рог, в растениях и почвах которого наблюдается резкая калиевая недостаточность. Натрия в городах и районах Днепропетровской области в листьях значительно меньше, а в почвах значительно больше, чем в контроле, что составляет в среднем 46% и 13% контроля соответственно. Растения и почвы области в среднем содержат кальция на 40$ больше, чем это необходимо. Особенно много кальция в почвах и растениях г.Кривого Рога и г.Днепропетровска. Однако концентрация кальция в почве различных тест-полигонов сильно варьирует (коэффициент вариации 78,2). Содержание магния в фитоценозах находится примерно в пределах фоновых уровней и варьирует незначительно.

Максимальное содержание железа наблюдается в растениях и почвах г.Кривого Рога (в среднем в 10 раз выше фонового). Среди всех загрязняющих веществ коэффициент загрязнения железом является самым высоким. Для г.Никополя характерно за- ' грязнение наземных экосистем'марганцем и фтором (в среднем в 10-20 раз выше фона), а медь - основной загрязнитель атмосферы, растений и почв г.Днепропетровска. В почвах городов облаоти накапливаются значительные количества цинка (в среднем в 3 раза больше фоновых значений), хрома (в 3-4 раза больше), никеля (3-5 раз больше). Для наземных экосистем городов и сельскохозяйственных районов Днепропетровской облаоти фтор является одним из приоритетных загрязнителей - его содержание в раотениях и почвах в 2-20 раз превышает фоновый уровень.

Ранжирование территории по уровню загрязнения. Для оценки загрязнения наземных экосистем была разработана шкала степени загрязнения по величине интегральных коэффициентов за-

грязнения:

незагрязненные .................... до 0,1

слабозагрязненные .................выше 0,1 до 0,5

среднезагрязненные ............... выше 0,5 до 1,0

сильнозагрязненные ............... выше 1,0 до 1,5

чрезвычайнозагрязненные ........выше 1,5

Среди всех городских тест-полигонов незагрязненных на-

земных экосистем не обнаружено, слабозагрязненных - I, сред-незагрязненных - 4, сильнозагрязненных - 7 и чрезвычайноза-грязненных - 14. Среди сельских районов региона незагрязненных тест-полигонов также не оказалось, слабозагрязненных выявлено 4, среднвзагрязненных - II, сильнозагрязненных - 4, чрезвычайнозагрязненных нет.

Глава 5. ИЗМЕНЕНИЕ БИОЛОГИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ЕИОГЕ(ЦЕНОЗОВ В ЗАВИСИМОСТИ ОТ СТЕПЕНИ АНТРОГОГЕННОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ

Оттенка состояния растений. Исследование мутабильности растений путем сравнения генетических эффектов городской ореды с генетическими эффектами в контрольных, не соприкасающихся о этой средой популяциях, позволило показать вклад всего комплекса антропогенных факторов, в том числе и загрязнения, в общий уровень мутирования. Установлено, что частота перестроек хромосом в меристематических тканях корешков семян акации белой составляла 0,8$ (спонтанный уровень мутирования), что в 15 раз нижа (в среднем), чем в городах области. В некоторых городских районах процент аберраций хромосом был в 20-30 раз выше, чем в контроле. Причем под действием мутагенных факторов окружающей среды не только увеличивается количество мутаций, но и расширяется их спектр, сдвигаясь в сторону более сложных типов нарушений - хроматидных и хромосомных мостов, множественных фрагментов и других (рис. 4). Некоторые типы перестроек хромосом показаны на рис.5.

Жизнеспособность семян, определяемая процентом леталей зародышей, в городских условиях на 81$ меньше, чем у семян контрольного тест-полигона.

Пероксидаза играет большую роль в процессе дыхания и является ферментом, присущим всему ив ому. Наиболее распространенными субстратами, на которые действует пероксидаза в тканях растений, являются полифенолы в свободном состояния или в форме разнообразных соединений и ароматические амины /Ленитдаер, 1976/. Чем больше токсических веществ я организме, тем выше активности этого фермента. Нами уст г?.-

Городские райони

Непромышленные района

Контроль

РИс. 4. - Спектрн аберраций хромосом у раотегагй резнях районов Днепропетровской о&яаоти (средние значения)

Радиус равен 4% от общего числа нооледованннх анафа«. Ноль - в центре круга. На радиусах отлсяюян значения соответствующих показателей, цифра обозначают следующие типа аберраций хромооом: I - парные фрашентн, 2 -одиночные фрагменты, 3 - множественные фратеантв, 4 _ хрснатиднве moots, 5 - хромосомные и ос ты, 6 -два н более мостов, 7 - моста о фрашентами, 8 - прочие аберрации

1 «Г ч £ о # ^

Хромосомный мост Хрсматидный моот

иг К к ^^

Отстающие хромосомы

Нормальная анафаза

Рис.5. Некоторые типы аберраций хромосом

новлено значительное увеличение активности пероксидазн в городских условиях - в среднем на 30% больше, чем в контроле.

Содержание хлорофилла в листьях является косвенным показателем продуктивности растительного сообщества. Для рао-тений, произрастающих в городах, характерно снижение содержания хлорофиллов а и в в среднем на 21% по сравнению о контролем. Масса 1000 семян проявляет тенденцию к увеличению по мере увеличения уровня загрязнения.

Важным параметром при изучении загрязнения окружающей •среды металлами и фторидами является количество минеральных веществ (золы) в растениях. Нами подтверждена характерная закономерность: чем выше загрязнение, тем больше зольных элементов накапливается в растениях. Так, в городах содержание золы в листьях в среднем на 20% и в семенах - на 105? больше, чем в сельских районах.

Отклонение средних значений биологических показателей от контроля показано на рис. 6.

Таким образом, состояние ценопопуляций городов крайне неудовлетворительное о точки зрения устойчивости их существования и функционирования, самовоспроизведения и саморегуляции. Такое состояние растений является индикатором качества городской среды.

Оценка состояния почвы. Оценка состояния почв была проведена по оледующим показателям: количество золы в почве, количество и разнообразие коллембол (ногохвосток), активность пероксидазн почвы. Средние и контрольные значения этих показателей представлены на рис. 6.

Установлено, что под влиянием разнообразных антропогенных факторов (загрязнение, недостаток увлажнения, разреженный травянистый покров, механическое уплотнение и т.д.) в среднем на 78% снижается количество ногохвосток и на 50$ уменьшается число их таксонов. Минимальная численность мик-ропедофауны отмечается в зонах действия крупных металлургических заводов.

Исследование активности пероксидазн почвы показало, что в условиях города активность этого фермента резко подавляется и в среднем составляла 38$ от контроля, а тта некоторых тест-полигонах была на 87$ ниже нормы.

ЮОН

15' 10.

(Ь

I

Г.-.'-'

у.;.:

хГООО

ГГТТ1 "К

и

I" * V

V-V

аберрации хромосом,

пероксидаза листьев, усл.ед.

хлорофилл, мг/г сыр. массы

Рис. 6. Среднее I I и контрольное

масса летали количество пероксидаза 1000 зародышей, ногохвосток, лочвы, усл. семян,г % экз/м ед.

значения биологических показателей

Для ранжирования территории по уровню напряженности экологической ситуации нами разработана шкала оценки степени преобразованыости наземных экосистем по величине интегрального показателя экологической напряженности (ИПЭН), в основе которой лежит терминология градации экологических ситуаций, предложенная Институтом географии АН СССР /Котляков, Кочуров, Коронкевич и др., 1990/:

благоприятная ................... до I

напряженная ..................... выше I до 3

критическая .....................выше 3 до 6

кризисная ....................... выше 6 до 9

!-. катастрофическая ................ выше 9 .

В целом состояние наземных экосистем региона характе- • ризуется как критическое. Шесть тест-полигонов г.Днепропетровска имеют критическую экологичеокую ситуацию, пять -кризисную и три - катастрофическую.

Корреляция между биологическими показателями и уровнем загрязнения биогеоценозов. Математическая обработка полученных данных показала, что процент аберраций хромосом в меристемах растений сильно возрастает при аккумуляции в листьях железа (г= 0,74), фтора (г= 0,70) и меди (г= 0,60), а также очень сильно зависит от общего загрязнения растений (г= 0,63), почвы (г= 0,93) и всего биогеоценоза в целом (г = 0,89). Загрязнители атмосферы вызывают сильное увеличение степени мутирования.

Коэффициенты корреляции между активностью пероксидазн листьев и содержанием в них железа и фтора одинаковые и достаточно значительные (г= 0,64), причем чем больше этих элементов накапливается в листьях, тем выше наблюдается активность фермента. Росту активности пероксидазы сильно способствуют атмосферные поллютанты и комплексное загрязнение растений, почв и всей экосистемы.

Маоса 1000 семян акации белой в наибольшей степени определяется содержанием в них марганца (чем больше этого элемента, тем больше масса) и концентрацией оксида углерода в атмосфере (г= 0,54 и 0,52 соответственно). Накопление железа-и фтора в листьях, общее загрязнение растений и почв, вредные примеси в воздухе приводят к значительному умень-

шению содержания хлорофилла.

Загрязнение атмосферы пылью, оксидами азота и углерода сильно подавляет жизнеспособность семян (соответственно Г= 0,74, 0,85, 0,97).

Количество ногохвосток сильно отрицательно коррелирует только о концентрацией оксидов азота в атмосфере (г= -0,72), а активность пероксидазн почвы значительно и отрицательно зависит от содержания в ней цинка (г*= -0,67) и кальция (Р = -0,57).

Глава 6. КОРРЕЛЯЦИОННЫЕ ВЗАИМОСВЯЗИ МЕ2ДУ ШЕШЕНТАШ В Ш0ГЕСЦЕН03АХ

Выводы о пространственно-временных колебаниях биогеохимического состава необходимо делать осторожно, учитывая высокую изменчивость содержания большинства микроэлементов в природных средах. Надежная интерпретация данных возможна лишь на статистической основе достаточно большого ряда систематических материалов, полученных по единой методологии. Нами рассчитано 17 матриц парных коэффициентов корреляций, которые характеризуют взаимоотношения между исследованными элементами в самом растении, в почве и между растением и почвой (примеры матриц для г.Днепропетровска показаны на табл. 2-4).

Сбалансированность химического состава живых организмов - основное условие их нормального роста и развития. Взаимодействие химических элементов имеет такое же значение для физиологии растений, как явления дефицита и токсичности.

Как было показано выше, содержание железа в растениях региона очень значительное. Его поступлению из почвы в растение. способствуют хром, кобальт, медь, цинк, кадмий и свинец. К увеличению концентрации меди в растениях приводит загрязнение почвы чинком, свинцом, глшинием, кальцием и натрием. А избыток меди в почве влечет за собой увеличение цинка.в растениях. Кальций в почве в сильной степени увеличивает концентрацию магния в растении. Однако все эти реакции весьма переменчивы, они контролируются множеством факторов, и их механизмы еще практически на изучены.

Таблица 2

Матрица парных коэффициентов корреляций, характеризуюгоих взаимосвязи меяду элементами в листьях растений г.Днепропетровска

Мд Со Мп Ге Со М Си 1п СД РЬ /II Са К Ыа Р

Мз.....и,04 -0,02 -0,24 0,46 0,05 0,02 -0,19 0,40 0,35 -0,30 0,52 -0,41 -0,15 0,05

С/1 ..........-0,11 0,16 0,22 0,31 0,43 0,76 -0,19 -0,07 0,32 0,17 0,12 -0,40 0,42

Мп ................ -0,15 0,25 0,03 -0,19 -0,15 0,03 -0,08 0,26 0,11 0,14 -0,43 -0,11

Ре ...................... 0,27 -0,10 0,33 0,29 -0,01 0,08 0,02 0,40 -0,23 -С,22 0,68

Со' ............................ 0,17 0,01 0 0,75 0,75 -0,05 0,62 -0,46 -0,45 0,26 ,

№................................... 0,17 0,18 0,02 0,01 0,56 -0,12 0,37 -0,12 -0,03 со

Си ........................................ 0,53 -0,19 0,03 0,42 ' 0,20 0,02 -0,23 0,76 ^

1Г\ .............................................. -0,20 -0,13 0,27 -0,13 -0,36 -0,33 0,62

Сб .....................................'............... 0,90 -0,11 0,24 -0,47 -0,07 -0,02

РЬ .......................................................... 0,02 0,34 -0,60 -0,12 0,08

А! '............................................................. -0,12 0,12 -0,13 0,13

Со .................'..................................................... -0,71 -0,27 0,34 .

К ............................................................................ -0,02 -0,12

№ .................................................................................. -0,44

Р ................,.........................V.............................................

Таблица 3 1

Матрица парных коэффициентов корреляций, характер!зуюаих взаимосвязи между элементами в почвах тест-полигонов г.Днепропетровска

Сг Мп ¥е Со N1 Сц 1п . С6 Рь /11 Са К Ш ?

М(} ..... 0,49 0,24 0,08 0,60 0,75 0,46 0,15 0,07 0,26 0,81 0,45 0,67 0,66 0,40

Сг ........... 0,70 0,71 <0,74 0,50 6,65 0,72 0,67 0,64 0,43 0,34 0,05 ■ 0,27 0,61

Мп ................ '0,84 0,75 0,40 0,51 0,68 0,75 0,53 0,14 0,45 -0,15 0,08 0,47

...................... 0,62 0,21 0,27 0,61 0,85 0,35 -0,02 0,16 -0,16 -0,16 0,46 ,

Со ............................ 0,58 0,4 9 0,48 0,59 0,58 0,46 0,46 0,17 0,34 0,61 £

Ы'1 .................................. 0,37 0,21 0,32 0,18 0,55 0,38 0,53 0,50 0,35

Си ........................................ 0,73 0,29 0,79 0,53 0,62 -0,08 0,56 0,6',

2/1 ............................................... 0,65 0,69 0,12 0,54 -0,25 С,18 0,55

С(1 .................................................... 0,34 0,02 0,14 -0,14 0,01 0,5'-

РЬ .......................................................... 0,21 0,40 -0,23 0,46 0,55

¿и ................................................................ 0,22 0,60 0,69 0,48

Са ..............;....................................................... 0,01 0,34 0,43

к ............................................................................ 0,49 0,15

№» ...........................................................................................................................................0,41

Г ........................................................■'................................

Таблица 4

Матрица парных коэффициентов корреляций, характеризующих взаимосвязи ыедцу элементами в растениях и почвах тест-полигонов г.Днепропетровска

• растения

м3 ' Сг Мп Ре Со м/ Си гл и РЬ Л1 Са ■ К Ыа Р

0,33 0,04 -0,29 0,28 0,31 0,16 0,40 0,27 одз 0,12 -0,04 0,40 -0,11 0,02 0,36

Со -0,18 0,42 -0,53 0,73 0,15 0,07 0,48 0,36 -0,07 0,02 0 0,20 -0,05 -0,15 0,56

Мп-0,20 0,13 -0,13 0,59 0,07 -0,17 0,22 0,12 -0,02 -0,11 -0,14 0,16 0,08 -0,12 0,37

Ре -0,20 0,20 -0,17 0,71 0,11 -0,16 0,03 0,11 -0,12 -0,15 -0,22 0,21 0 -0,17 0,34 ,

Со' 0 0,03 -0>26 0,68 0,20 -0,07 0,27 -0,08 0 0,03 -0,14 0,49 -0,24 -0,03 0,33 £

0,39 0,39 -0,25 0,25 0,24 -0,01 0,37 0,20 0,05 -0,03 -0,14 0,44 -0,23 -0,21 0,48 ,

Си -0,22 0,37 -0,29 0,57 0,04 -0,11 0,79 0,56 -0,07 0,08 0,24 0,20 -0,03 -0,10 0,71

§С<1 -0,24 0,40 -0,14 0,66 0,28 0,08 0,57 0,47 0,02 0,12 0,10 0,18 •0,13 -0,39 0,68

-0,04 0,16 -0,31 0,55 0,14 -0,13 0,15 -0,04 -0,08 -0,08 -0,31 0,30 -0,11 -0,01 0,35

* РЬ -0,41 0,22 -0,15 0,57 0,19 -0,16 0,42 0,21 0,07 0,22 0,19 0,24 -0,17 -0,11 0,35

А1 '"0,32 0,3'; -0,47 0,13 -0,01 о,и-' 0,61 0,30 -0,13 0,02 0,06 0,28 -0,09 0,25 0,31

Са 0,09 -0,13 0,04 0,47 0,33 -0,07 0,50 0,22 0,36 0,30 -0,04 0,20 -0,01 -0,28 0,64

К 0,81 0,30 -0,25 -0,20 0,36 0,20 0,06 0,03 0,26 0,25 -0,19 0,39 -0,24 -0,09 -0,03

№ 0,39 0,28 -0,11 0,04 0,33 -0,02 0,58 0,07 0,21 0,32 0,19 0,55 -0,38 0 0,28

р 0,14 0,14 -0,57 0,59 0,20 -0,34 0,43 0,17 0,11 0,29 -0,32 0,54 -0,44 0,05 0,51

Взаимодейотвия между микроэлементами, наблюдающиеся в сами растениях, показывают, насколько сложны эти процессы, которые могут быть то антагонистическими, то синерги-ческими. Наибольшее число антагонистических реакций наблю-далооь для железа, марганца, меди и цинка, котопые являются ключевыми элементами в физиологии растений. Среди остальных элементов в антагонистических отношениях к этим четырем чаото оказывался хром.

Синергическое взаимодействие между микроэлементами обычно не наблюдается. Синергизм кадмия с такими элементами, как свинец, железо и никель, может быть артефактом, возникающим вследствие разрушения физиологических барьеров под действием отресса, вызванного избыточными концентрациями тяжелых металлов.

Изучение взаимодействий между элементами в природных экосистемах г- проблема очень сложная. Результаты, получаемое в ходе исследований, часто противоречат друг другу. Однако без исследования этой проблемы нельзя будет решать многие вопросы рационального природопользования и охраны природной среды.

Глава 7. ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ ЗАВИСИМОСТИ ОТКЛИКА БИОГЕОЦЕНОЗОВ ОТ ХАРАКТЕРА И УРОВНЯ ЗАГРЯЗНЕНИЯ ДЛЯ ПРОГНОЗНЫХ СЦЕНОК

Регрессионный анализ явился логическим завершением проведенных исследований. Проверялось 12 моделей регрессии. Рассчитывались уравнения регрессии только для тех сопряженных признаков, для которых выявлены высокие значения коэффициентов корреляции. Было выбрано ЮГ достоверное уравнение. Некоторые функциональные зависимости отклика-растений и почвы на загрязнение окружающей среды представлены в табл.5.

Интегральный биологический показатель (ИБП), который характеризует отклик всей наземной экосистемы на антропогенное воздействие, более чем на 70$ детерминируется следующими факторами: содержанием меди и цинка в почве, концентрацией пыли, оксидов азота и углерода в атмосфере, комплексным загрязнением почвы. Остальные отрицательно действующие ве-

Таблица 5

Некоторые зависимости отклика растений и почвы на загрязнение окружающей среды

Уравнение регрессии

Активность пероксидазн листьев, усл.ед.

,Масса 1000 семян, г

Летали зародышей семян, %

Аберрации хромосом, %

Содержание хлорофилла, мг/г

ИБП раот., относит.ед.

Активность пероксидазн почвы, усл.ед.

Количество

ногохвосток,

экз/м

Железо в листьях, мг/кг

Пыль в атмосфере, мг/м3

Марганец в

семенах,

мг/кг

Свинец в семенах, мг/кг

СО в

атмосфере, мг/м

Железо в семенах, мг/кг

Пыль в

атмосфере,

мг/м3

Железо в листьях, мг/кг

Пыль в

атмосфере,

мг/м

Железо в листьях, мг/кг

Пыль в ат^одферв,

Цинк в почве, мг/кг

Окислы азота в атмосфере, мгДг

у = 0,0008х + 2,8

у = -12,бх2 + 7,3х + 3,0

7 - -х4 + 0.007Х2 - 0.4Х3 + + 10,5х - 84,5

у = -З.Бх2 + 85,1х - 433,7

у = 66,2 * х0»2 у = х2 - 0,006х +6,2

у = 2,4 ' 364,8х у = 6,6 ' х-0'1

у = 13,бх2 - 7,4х + 4,1 у = 0,003х -1,1

у = -21 .бх2 + 19,2х - 3,8 у = О.ОООЗх2 - 0,1х + 10,7

у = -434407х + 24140,7

иества и элементы в зависимости от величины коэффициента детерминации составляют следующий ряд (по степени уменьшения): содержание свинца,марганца, хрома, фтора в почве; содержание железа в семенах; концентрация сернистого газа в атмосфере; содержание железа в листьях; концентрация кадмия в атмосфере; содержание железа в почве; содержание фтора в листьях; цинк и фтор в семенах; медь в листьях; содержание кадмия в почве и цинка в атмосфере.

ЗАКЛШЕНИЕ

В соответствии о целью и задачами исследований нами были получены следующие результаты.

1. Разработана методология оценки состояния наземных экосистем степной зоны в условиях полностью видоизмененных человеком ландшафтов, включающая критерии выбора мест и объектов исследований, требования к показателям качества окружающей природной среды. Предложена комплексная система биоэкологических показателей, характеризующая состояние биотической составляющей наземных экосистем на генетическом, физиолого-биохимическом, морфологическом, экологическом (биогеоценотическом), биогеохимическом уровнях. Разработана простая схема перехода от многокритериальной оценки к одно-критериальной путем введения интегрального биологического показателя, учитывающего всю совокупность разнообразных фактических данных. Показано место корреляционного и регрессионного методов анализа в системе объективной оценки состояния наземных экосистем с целью установления функциональных зависимостей отклика биоты на антропогенное воздействие и прогноза изменений природной среды.

2. Для количественной и комплексной оценки характера и уровня загрязнения компонентов биогеоценозов разработаны следующие коэффициенты: коэффициент'загрязнения для отдельного элемента; коэффициент недостаточности для отдельного элемента; интегральный коэффициент загрязнения для ряда элементов; интегральный коэффициент недостаточности для ряда элементов; коэффициент дисбаланс; элементов. Предложены принципы ранжирования территории по их величине.

3. Выявлены особенности биогеохимического состава наземных экосиотем различных территорий, исследован спектр и уровень загрязнения городов и сельскохозяйственных районов Приднепровского региона. Установлено, что за период вегетации растения городов в значительной степени накапливают в совей биомассе: железо - в 2-10 раз, никель и фтор - в 2-6 раз, алюминий, хром, цинк и кобальт - в среднем в 2-4 раза выше фона. В городских почвах наблюдается избыток следующих элементов: цинка - в 2-5 раз, кадмия и кальция - в •2-6 раз, фтора - в 2-4 раза, никеля, натрия и свинца - в 2-3 раза вше фона.

Растения и почвы сельской местности загрязнены в меньшей степени, а в спектре загрязнения преобладают никель, цинк, натрий, фтор, свинец, кобальт, хром.

Таким образом, наиболее сильное техногенно-геохимичес-хое воздействие связано о крупными индустриальными центрами. Ассоциации загрязняющих веществ различаются по отдельным городам региона в соответствии со специализацией производства и составом исходного сырья (черная и цветная металлургия, теплоэнергетика, химичеокая промышленность, обогащение руд и т.д.), однако наиболее распространенными на урбанизированных территориях являются оксиды азота, углерода.и серы, фториды, а из металлов - железо, никель, кадмий, цинк, свинец и медь.

4. Изучены биологические показатели состояния наземных экосистем, выявлены пределы их инвариантности. Определен уровень мутирования у растений городских и непромышленных районов Приднепровского региона, который в среднем составлял 12,5 и 1,75? соответственно. Показано, что под воздействием комплекса антропогенных факторов не только-увеличивается количество перестроек хромосом, но и происходит сдвиг их спектра в сторону более сложных типов нарушений (хромати-дных и хромосомных мостов, множественных фрагментов и др.).

Процент гибели зародышей семян в техногенных условиях составлял в среднем 81%, тогда как в контроле он был равен 41%, активность пероксидазы листьев в ореднем возрастала на 30$, а содержание в них хлорофиллов уменьшалось в среднем на 21% по сравнению с контролем.

- 39В почвах техногенных территорий снижалось в среднем на 78^ количество коллембол, и в среднем на 62/5 падала ак-тивнооть почвенной пероксидазы.

Таким образом, состояние биотической составляющей ; наземных экосистем крайне неудовлетворительное с точки зрения устойчивости существования, самовоспроизведения и саморегуляции.

5. В результате анализа коррелящюнных связей между биологическими показателями и показателями загрязнения наземных экосистем определены приоритетные для данного региона загрязнители. Установлено, что самые сильные изменения в биогеоценозах вызывают следующие шесть элементов: фтор (средняя коррелируемость 0,67), железо (0,66), цинк и медь (0,62), свинец (0,48) и хром (0,47).

6. Предложен интегральный показатель экологической напряженности (ИПЗН), включающий интегральный биологический показатель (ПЕП) и коэффициент дисбаланса элементов (Сд), по величине которого разработана икала и проведено ранжирование территории.

7. Сделана попытка выявления закономерностей пространственной изменчивости концентраций элементов в природных средах Приднепровья. Получено 17 матриц парных коэффициентов корреляции, характеризующих взаимоотношения между исследованными элементами в самом растении, в почве и между растением и почвой.

8. Для прогноза изменений состояния наземных экосистем и разработки рацпсналыгих схем природопользования получено 101 достоверных уравнения функциональных зависимостей между сопряженными признаками с высокой степенью корреляции, которые вошли в матрицу эколого-эконошческой модели региона, разрабатываемой в Институте проблем природопользования и экологии Национальной Академии Наук Украины.

9. На основании теоретических г натурных исследований создан биоэкологичсски? блок региональной системы экологического мониторинга "Приднепровье", которая действует в Днепропетровск;: области.

ОСНОВНЫЕ РАБОТУ, ОПУБЛИКОВАННЫЕ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Грицан Н.П. Биоэкологические особенности дейотвия газообразных фторидов на зерновые культуры. Автореф.дисс. ... канд.биол.наук.-Днепропетровск, 1988.-16о.

2. Долгова Л.Г., Грицан Н.П., Сапсай В.М. Фториды и продуктивность зерновых культур //Химизация вельского хозяйства . -I 988 . -Кб . -С . 31 -32 .

3. Эколого-физиологические изменения фитоценозов в условиях загрязнения атмосферы /Долгова Л.Г., Корытова А.И., Лихолат Ю.В., Певлюкова Н.Ф., Грицан Н.П. //Актуальные вопросы ботаники в СССР.Тез.докл. УШ делегатского съезда Всесоюзн.ботан.общества.-Алма-Ата: Наука,1988.-C.I98-I99.

4. Грицан Н.П. Рекомендации сельскохозяйственному производству, расположенному в зонах загрязнения атмосферы фторсодержапшми промышленными выбросами.-Днепропетровск, 1988.-5с.

5. Долгова Л.Г., Грицан Н.П. Действие фумигации фтористым водородом на физиологическое состояние проростков зерновых культур.-Днепропетровск, 1988,-14о.-Деп. в ВИНИТИ 04.05.88.-#3438-В88.

6. Долгова Л.Г., Грицан Н.П. Влияние газообразных фторидов на озимую пшеницу в природных и лабораторных условиях. Днепропетровск, 1988.-13с.-Деп.в ВИНИТИ 24.СБ.88.-Ji3985-В88.

7. Грицан Н.П. Изменение интенсивности дыхания проростков зерновых культур под влиянием фтористого водорода и пути ее нормализации.-Днепропетровск, 1988.-12с.-Деп. в ВИНИТИ 24,05.88.-№3984-В88.

8. Корытова А.И., Грицан H.H., ЗагребельнаЯ И.В. Генетические последствия загрязнения воздуха техногенными фторидами для зерновых культур //Рациональное использование, охрана, воспроизводство биологических ресурсов и экологическое воспитание. Тез.докл.Респ.науч.конф. - Запорожье, 1988.-С .161-162'.

9. Долгова Л.Г., Грицан Н.П. Агрофитоценозы в условиях загрязнения воз,пуха фторсодержащими промышленными выбросами

//Агроэкологичеокая обстановка на сельскохозяйственных угодьях Украинской ССР и пути снижения их загрязнения токсичными вещеотвами. Тез.докл.Респ.науч.-техн.конф.-Черкассы,

1989.-£.15-16.

10. Грицан Н.П. Сельскохозяйственные культуры в условиях загрязнения атмосферы соединениями фтора //Охрана труда и окруж.среды в тохнологич.процессах энергетики и черной металлургии.-Днепропетровск, 1989.-С.90-94,

11. Долгова Л.Г., Корытова А.И., Грицан Н.П. Биологические методы контроля за состоянием биогеоценозов в условиях техногенеза //Малоотходные технологич.процессы и сокращение пром.выбросов в металлургической промышленности. Те з.докл.Респ.научно-техн.конф.-Запорожье, I989.-С.35-37.

12. Долгова Л.Г., Грицан Н.П., Салсай В.М. Влияние фторидов на урожай кукурузы //Химизация сельского хозяйст-Ba.-I989.-Ji2.-C .23-25.

13. Долгова Л.Г., Грицан Н.П. Фитотоксичеокоа действие газообразных фторидов на зерновые культуры //Сельскохозяйственная биология.-1989.-ЖЗ.-С.56-61.

14. Грицан Н.П. Опыт биоэкологического мониторинга агрофитоценозов в Днепропетровской области //Проблемы и опыт охрайы окруж.среды в республика. Тез.докл.Респ.научно-техн. конф. Вып.3.-Киев,1990.-С.45-47.

15. Грицан Н.П. Оценка влияния фторсодержаших промышленных выбросов на растения //Экологические проблемы охраны живой природы. Тез.Всесоюзн.конф.- Москва,1990.-Ч.2.-С.101-102.

16. Грицан Н.П. Нарушение газообмена проростков зерновых культур под действием фтористого водорода //Раотения и промышленная среда . Пёрвая Всесоюзн.науч.конф. Днепропетровск, 20-22 марта, 1990г. Тез.докл. - Днепропетровск,

1990.-C.86-87'.

17. Шматков Р.Г., Грицан Н.П. Йетодология и опыт сценки состояния фитоценозов техногенных территорий //Проблемы устойчивости биологических систем. Тез.докл. - Севастополь-харьков, 1990.-С.91-92.

18. Грицан Н.П. Агрофитоценозы в условиях загрязнения атмосферы .промышленными выбросами //Проблемы природопользо-

вания Приднепровья.-Киев: Наукова Думка,1991.-С.18-21.

19. Корнтова А.И., Грицан Н.П. Загрязнение воздуха фтореодержащими промышленными выбросами и его дейотвие на культурные растения //Ботанические исследования на Украине. -Киев: Наукова Думка, 1992.-С.53-55.

20. Химический аспект дендроиндикации /Ловелиуо Н.В., Гридан Ю.И., МисюраА.Н., Грицан Н.П. //Проблемы экоинфор-матики.-М., 1992 .-С .4 7-48.

21. Грицан Н.П. Оценка состояния и уровня загрязнения .тяжелыми металлами фитеценозов города Днепропетровска.-Днепропетровск, 1992.-66с. Препринт /Ин-т проблем природопользования и экологии АН Украины.

22. Биоэкологические характеристики в моделировании антропогенеза природных экосистем /111матков Г.Г., Корабле-ва А.И., Грицан Н.П., Долгова Т.И., Рязанцева И.А., Федотов В.В. -Днепропетровск,1993.-73с.-Препринт /Ин-т проблем природопользования и экологии АН Украины.

23. Грицан Н.П., Шматков Г.Г. Фтор в наземных экосистемах Днепропетровской области //Фтор. Проблемы экологии, биологии, медицины, гигиены.-Полтава, 1993.-С.27-29.

24. Шматков Г.Г., Грицан Н.П. Разработка оистемы комплексной оценки зон особого экологического контроля (на примере территории г.Днепропетровска) //Проблеми рац.вико-риот.соц1ально-економ1чного та природно-ресурсного потен-ц1алу рейонуг Тез.доп.Респ.наук.-практ.конф. Ч.П.- Луцк, 1993.-С.102-103.

25. Грицан Н.П. Уровень аберраций хромосом у растений в условиях городской среды //Проблемы промышленной ботаники. Те з.докл.науч.конф.-Донецк,1993.-С.96-97.

26. Оценка загрязнения почв тяжелыми металлами и радионуклидами в связи о проблемой экологизации сельскохозяйственного землепользования (на примере Днепропетровской и Кировоградской областей) /Кораблева А.И., Шматков Г.Г., Грицан Н.П., Рязанцева ИД., Сыроватко В.А. //Проблемы землепользования в условиях реформирования экономики.-Вып.г.Киев, 1993.-С.128-132.

27. Грицан Н.П. Цитогенетический эффект воздействия на растения сТторсодержаших промышленных выбросов //Вопросы за-

щиты природной среды и охрана труда в промышленности.-Днепропетровск: Изд-во ДГУ, 1993.-С.122-127.

28. К оценке миграции тяжелых металлов в система "почва - водоем" (на примере Днепропетровской и Кировоградской областей) Дораблева А.И., Шматков Г.Г., Грицан Н.П., Рязанцева И.А. //Подвижные формы микроэлементов в почвах Украины.-Киев, 1993.-С.23-24.

29. Грицан Н.П. Загрязнение микроэлементами наземных экосистем Никополь-Марганецкого бассейна //Тез.научяо-практич.конф. "Экологические и социальные проблемы Никололь-Марганец-Энергодарского района и состояние Каховокого водохранилища. Направления межобластного сотрудничества в разработке территориальной схемы охраны природы".-Марганец, 1993.-С.21.

30. Шматков Г.Г., Грицан Н.П., Кораблева А.И. Особенности загрязнения тяжелыми металлами наземных и водных экосистем Никополь-Марганецкого бассейна.-Там же.-С.23.

31. Шматков Г.Г., Грицан Н.П., Кораблева А.И. Биоэкологический мониторинг состояния и загрязнения фитоценозов техногенных территорий //Промышленная ботаника: состояние

и перспективы развития. Междунар.науч.конф.- Донецк, 1993,-С.53-55.

32. Грицан Н.П. Уровень аберраций хромосом у растений в условиях городской среды.-Там же.-С.96-97.

33. Gritsan I!.P. Pbytotoxic effect of gaseous fluorides on jrain crops in the Southeast U'craine //Fluoride.-25,H4.-1992.-115-122.

34. Gritsan II.P. Cytogenetic effects of ¿aseous fluorides on grain crops //Fluoride.-2o, N1.-1993«-23-32.

35. Gritsan U.P., Gritsan I.I. Anthropogenically-related trace- elements in south-east of U'craino and their phytotoxi-city //Second Intern.Conf. on the Bioceocheiaistry of trace elements. Taipei, 1'aiwan, 3ept. 5-10,1993.-Taiwan, 1993.-3'*.

36. Gritsan Ji.P., filler G.'jf., Shraat'cov G.G. Relationship between fluoride content and abnormal plant development //Proc. of the 7Zi th Conf. of the Intern. Society for Fluoride lie search.-Bei.iing,' China. -199^.-106-109.

37- Gritsan N.P. Pluoride in soils and plants //Proc. of the XX th Conf. of the Intern. Society for Fluoride Research.-Beijing, China.-1994.-87-83.