Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Эколого-физиологическое обоснование расчета критических нагрузок аммиака для лесных насаждений Европейской территории России

ВАК РФ 03.00.16, Экология

Автореферат диссертации по теме "Эколого-физиологическое обоснование расчета критических нагрузок аммиака для лесных насаждений Европейской территории России"

х&ударствентгый комитет российской федерации

* по высшему образованию

московский ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ЛЕСА

На правах рукописи ВОЛКОВА Мария Владимировна

Эколого-физиологическое обоснование расчета критических нагрузок аммиака для лесных насаждений Европейской территории России

03.00.16 — Экология

автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Москва —

1994

Работа выполнена на кафедре промышленной эколс гии и защиты леса Московского государственного уш верситета леса.

Научный руководитель — доктор биологических нау!

профессор В. С. Николаев« кий.

Официальные оппоненты — доктор сельскохозяйственных наук, профессор В. С. Теодоронский;

кандидат биологических наук, старший научный сотрудник, А. А. Мартыню!

Ведущая организация — Сельскохозяйственная акад|

мия им. К. А. Тимирязева.

Защита состоится /¿Г « 1994 г.

на заседании специализированного совета Д.053.31.С при Московском государственном университете леса час. ЗО мин., аудитория 313.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах с зав! ренными подписями просим направлять по адресу: 14100 Мытищи-1, Московской обл., МГУЛ, ученому секретарь

С диссертацией можно ознакомиться в библиотек Московского государственного университета леса.

Автореферат разослан « 1994

Ученый секретарь специализированного совета, кандидат биологических наук, доцент

Е. Г. КУЛИКОВ

Объем 1 п, л. Зак. 373

Подп. к печ, 4.11.94 г.

Тир. 1

Типография Московского государственного университета леса

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Обострение экологической ситуации на ;мле и особенно в промышленно развитых странах вызвано раэно-Зразными причинами. Одной из них является растущее загрязнение гмосферы, закисление атмосферных осадков, трансграничный пере-зс с воздушными потоками промышленных выбросов из одних стран другие. Длительная адсорбция промышленных эксгалатов наземны-1 экосистемами приводит к повышению фонового уровня многих редных соединений в почве, к нарушению деятельности редуцентов корневых систем растений, ухудшению минерального питания рас-ений и снижению их продуктивности и устойчивости. Это застави-э ученых и международные организации начать разрабатывать но-ае экологические подходы к нормированию допустимых уровней за-рязнения воздуха и нагрузок на экосистемы.

Несмотря на серьезные успехи в изучении влияния аммиака а жизнь растений, зколого-биологических основ устойчивости астений к нему и их поглотительной способности (Сиянова, 1964, Э65; Кулагин, 1974, 1979, 1980; Марценюк, 1978; Николаевский, 37В, 1979; Николаевская, 1992; , 1962, 1967;

ЯояЙ^КЭбО), остались неясными вопросы трансформации азота, ранслокации и удаления его при невидимых и видимых повреждени-х ассимиляционных органов газом. Эти моменты важны для опреде-ения поглотительной способности лесных насаждений или критичес-их нагрузок для лесных экосистем. Разработка экологических нор-ативов допустимой антропогенной нагрузки на лесные экосистемы вляется одной из важнейших задач в комплексной программе "Эко-огическад безопасность России". '/

Цель и задачи исследований.. Цель работы заключается в изу-ении поглотительной способности и устойчивости древесных'и кус-арниковых пород к аммиаку для разработки критических нагрузок ммиачного азота для лесных экосистем.

В задачу исследований входило:

1. Изучить поглотительную способность и газоустойчивость ревесных и кустарниковых пород в экспериментальных и з.аводс-их условиях,

2. Определить пороговые уровни накопления аммиачного азота ,ля основных лесообрадуацих пород.

3. Определить скорость удаления поглощенного аммиака из ассимиляционных органов растений.

4. Определить критические нагрузки аммиачного азота для лесных экосистем европейской территории России и чувствительно! их по лесорастительным зонам.

Научная новизна работы. Изучена интенсивность поглощения аммиака ¡листьями и хвоей 26 видов древесных растений в условия: постоянного загрязнения воздуха и в эксперименте. Определена з< виеимость накопления листьями от газоустойчивости видов и < тественного фона содержания аммиачного азота в них. Выявлены ш роговые уровни накопления аммиачного азота листьями древесных растений при разной степени повреждаемости. Определена зависимость повреждаемости древесных растений аммиаком от накопления общего азота и его фонового содержания в листьях и хвое. Получ! ны данные о поглощении аммиака и накоплении общего азота листь' ями разных по устойчивости видов в условиях постоянного загряз' нения воздуха. Определены критические нагрузки аммиачного азот; для лесных насаждений европейской территории России.

Практическое значение исследований. Результаты исследова ния представляют интерес как в решении общих вопросов теории г; зоустойчивости растений, так и для практики озеленения химичес' ких предприятий и населенных мест с повышенным уровнем содержа' ния аммиака в воздухе. Даны экспериментальные обоснования мето; ки расчета критических нагрузок аммиака и окислов азота для ле( ных экосистем Российской Федерации..и приведены их расчеты для < новных лесорастительных зон европейской территории страны.

! Апробация работы. Основные положения диссертации доклады лись на ежегодных научно-технических конференциях МГУЛ (19921994 гг.), на Всероссийской научно-технической конференции "Ох; на лесных экосистем и рациональное использование лесных ресурс; (Москва, 1994).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 5 раб; и.2 статьи находятся в печати.

Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из вв денм'я, шести глав, общих выводов и списка литературы, а также п. ложения. Общий объем работы 1Ь7 страниц машинописного текста, включая 31 таблицу и 4 рисунка. Список используемой литературы включает 236 наименований, из них 26 иностранных. *

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

1. ВЛИЯНИЕ ПРОМЫШЛЕННЫХ ЗАГРЯЗНЕНИЙ НА РАСТЕНИЯ

И ИХ ГАЗОУСТОЙЧИВОСТЬ

В главе приводится характеристика современного загрязнения ггмосферного'воздаха и его влияние на растительность, обсуждагст-я эколого-биологические основы газоустойчивости растений. Ана-изируется роль растительности в поглощении и обезвреживании' га-ов, обосновывается экологический подход к нормированию воздей-твия атмосферных загрязнителей на лесные экосистемы.

2. ПРОГРАММА, ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

При исследовании газоаккумулирующей способности и газоус-ойчивости быко выбрано 26 видов древесных растений, включающих сновные лесообразующие породы, из них 4 вида - хвойныё. Виды тличались между собой по' степени устойчивости к действию фито-оксик'антов. В качестве контроля был выбран дендропарк МГУЛ.

■ В 1991-92 гг. изучалось поглощение аммиака листьями 26 идов. Экспериментальное газирование аммиаком проводилось в ут-енние часы в течение 20 минут в полиэтиленовой камере объемом ,5 м3, в которой водным раствором ,25% аммиака создавали разные энцентрации газа (130, 360 и 540 мг/м3). После этого опытные и энтрольные ветви в колбах с водой выдерживались сутки в чистом эздухе на свету-для выявления некрозов. Повреждаемость листьев пределялась по Н.П.ирасинскому (1950), повреждаемость хвои по .С,Николаевскому, В.В.Сусловой (1961).. '

. Определение содержания аммиачного азота проводилось сразу зеле газирования и на следующий день. Содержание аммиака в 1стьях и хвое определяли по Н.П.Львову (1Э75). Количество пог-эщенного аммиака оценивали по разнице содержания его в листьях татных (газированных) и контрольных растений (Кулагин, 1974).

В другой серии экспериментов газирование растений, отлича- • цихся между собой по степени устойчивости (липа мелколистная, эреза повислая, клен остролистный, сосна обыкновенная, ель евро-зйская), проводилось разными концентрациями аммиака (листвен-ге - 40,'60, 120, 130 и 640 мг/м3, хвойные,- 1с30, 360,' 420 , 480' 540 мг/м3). Содержание аммиачного азота в листьях и хвое опре-»лялось через 1-й 3 часа и через Г, 2, 3, 5 и 7 суток после

газирования, а также в естественных условиях (в контроле). Изучалось также влияние осадков на вымывание поглощенного газа из листьев растений. Дл£ этого листья после газирования опрыскивали дистиллированной водой.

Во;всех экспериментах в листьях и хвое определялось содержание общего азота по Кьельдалю (Чернавина и др., 1978). ■

В 1993 году для изучения аккумулирующей способности проводился отбор листьев 7 видов древесных растений в условиях посто янного Загрязнения воздуха химическим предприятием "Азот", а также в девдропарке. Определялось содержание общего и ашиачног азота в листьях растений, произрастающих вблизи завода и в уело виях чистой атмосферы.

В 1994 году был проведен специальный эксперимент для определения параметров замедленной флуоресценции листьев древесных растений, обработанных разными концентрациями аммиака (40 и . 120 up/м3). Индуцированное свечение определялось на фосфороскопе, изготовленном на кафедре биофизики МГУ. Параметры замедлённ флуоресценции X и определяли после 20 минутного выде

живания в темноте. Они характеризуют состояние фотосинтетическо го аппарата и интенсивность фотосинтеза (Веселовский, Тарусов, 1978).

Породные условия в годы исследований были различны. Так, лето 1992 года было значительно более сухим и жарким, чем лето 1991 и 1993 гг.

Материалы исследований обработаны с применением методов математической статистики (Плохинский, 1978).

3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ГАЗОУСТОЙЧИВОСТИ И ГАЗОПОГЛОТИТЕЛЬНОЙ СПОСОБНОСТИ ДРЕВЕСНЫХ - РАСТЕНИЙ

В результате проведенных нами экспериментальных исследований газоустойчивости растений, 22 вида лиственных пород были разделены на 3 группы: устойчивые (повреждение листьев при концентрации аммиака 180 мг/м3 0-20&), среднеустойчивые (повреждение листьев 21-5056) и неустойчивые (повреждение 51-100%).

Устойчивость к аммиаку у выделенных групп растений резко различалась в течение вегетационного периода. В 1991 годо>в дни

г повышенной освещенностью повреждаемость гзстьев при концентрации аммиака 180 мг/м3 составила у устойчирях видов 3$, у средне-1 устойчивых - 27$, у неустойчивых - 52$; при концентрации газа 360 мг/м3: у устойчивых - 1<3%, у среднеустойчивых - 59$ и у неустойчивых - 64$; при концентрации 540 мг/м3: у устойчивых - 37%, у среднеустойчивых - 78$ и у неустойчивых - 81$. В дни с пониженной освещенностью повреждаемость листьев была несколько ниже. В 1992 г. также получены различия в повреждаемости листьев: при концентрации аммиака 180 мг/м3 средняя повреждаемость составив ла у устойчивых видов - 6$, у среднеустойчивых - 50$ и у неустойчивых - 81$; при. концентрации газа 360 мг/м3 у устойчивых -2среднеустойчивых - 76$, неустойчивых - 83%; при концентрации 540 мг/м3 у устойчивых - 42$, у среднеустойчивых - 88$ и у неустойчивых - 91$

Впервые обнаружено наличие свободного аммиака в листьях и хвое древесных растений даже при отсутствии его в воздухе. При этом естественное содержание аммиака в листьях зависит от погодных условий. В 1991 г. среднее за вегетационный период содержание аммиака в листьях у всех видов было ниже, чем в'1992 г. в 7-8 раз. Это объясняется сильной и .длительной засухой в 1992 году. Засуха и высокая температура вызывают у растений распад белков и аминокислот и выделение аммиака (Альтергот, 1937), который наряду с окислением и связыванием в клетке создает повышенный фон аммиачного азота. Наименьшее фоновое содержание "аммиачного азота имеют устойчивые и среднеустойчивые виды, а наибольшее -неустойчивые. Это дает основание предполагать,- что низкое фоио-новое содержание аммиачного азота в листьях обеспечивает некоторый запас прочности растений.

Исследования показали, что неустойчивые виды в одинаковых условиях эксперимента поглощг«т значительно больше,аммиака из воздуха, чем устойчивые,и среднеустойчивые виды (таблица I). С этим связана и разная повреждаемость растений газом.

а

Таблица I

Зависимость повреждаемости древесных растений аммиаком "• в эксперименте от фонового содержания аммиачного азота в листьях и поглощения газа концентрацией 180 иг/г | - ■ .в 1992 году ' .

Группы ! Повреждав- ¡Фоновое содер- ! Накопление

по устойчивости | мость, % ¡гкание аммиака, • аммиака, | | мг/г | мг/г

Устойчивые 8,7± 0,7 4,18±0,16

Среднеустойчивые 64,4* 2,8 3,81 ±0,31 Неустойчивые 78,4* 3,7 4,71±0,27

Примечание: 3 этой таблице, как и во всех последующих, указаны доверительные интервалы средних величин при Ь%-нои уровне значимости (критерий Стыодента).

У хвойных пород (ель канадская, ель европейская, сосна обыкновенная, туя западная) хвоя разного возраста повреждается аммиаком неодинаково. В большинстве случаев однолетняя хвоя пов-ревдается сильнее, чем двухлетняя и слабее всего трехлетняя. В условиях постоянного загрязнения воздуха наблюдается обратная закономерность', т.е. сильнее повреждается хвоя больших возрастов. Повышенная чувствительность однолетней хвои при. экспериментальном газировании связана с ее повышенной физиологической активностью. Высокая интенсивность фотосинтеза объясняет более высокую повреждаемость однолетней хвои по сравнению с двух- и трехлетней, так как последняя определяется скоростью поглощения газа растениями, которая пропорциональна интенсивности газообмена. Это подтверждается и нашими данными о поглощении аммиака: однолетняя хвоя накапливает больше аммиачного азота, чем двухлетняя, а последняя больше, чем трехлетняя.

_Результаты изучения динамики содержания аммиачного азота в течение длительного времени после разового поглощения газа при ведены в таблице 2.

1,84 ±0,07 2,18*0,13 5,31*0,26

Таблица 2

Изменение содержание аммиачного азота в листьях древесных растений после разового поглощения газа

{ Накопление аммиачного азота, мг/г Виды -г

iQDriUtlí TlQí*»— i ГТПО ТТЛ па^ »

февесных рас- ! после га- 1 через ! через тений | зирования | I сутки | 2 суток

через 3 суток

Концентрация /VH3 40 мг/м3

)еза повислая 0,37± 0,03 0,12*0,01 0,05±0,003 ;н остролистный 0,56* 0,04 0,2I±0,02 0,11±0,007 ia мелколистная 1,72± 0,04 0,9В±0,03 0,47±0,02 0,12±0,01

Концентрация /УНэ 120 мг/м3

эеэа повислая 1,43±0,06 1,05± 0,05 0,64 * 0,03 0,13 * 0,01 ж остролистный I,'62± 0,06 0,66 ±0,03 0,47±0,02 0,19*0,01 ia мелколистная 2,05± 0,09 1,60 ± 0,07 0,49 ±0,04 0,27±0,02

Наименьшее количество аммиака поглощает устойчивый вид - бе-ia повислая, а наибольшее - неустойчивый вид - липа.мелколист-I. Береза уже через^сутки после газирования,удаляет поглощен-i аммиак на 30-6а$, клен - на 45-60?, липа - на 20-40$. Береза иен полностью избавляются от накопленного аммиака за 2-3 дня, ia - за 3-4 дня.

Исследования хвойных пород показали, что из хвои сосны за )вые сутки после газирования удаляется 30$ накопленного аммиака, зез 2 оуток - 50$, через 4 суток - 80$. У. ели за первые сутки :ле газирования из хвои удаляется 20$ накопленного аммиачного >та, через 2 суток -.5055 и через 4 суток - 87$.

У устойчивого вида -.березы повислой -'низкая концентрация . <иака (40 мг/м3) сразу после газирования вызывает временное . зличение параметров замедленной флуоресценции ( и 4п ~ ¿с ) следовательно, интенсивности фотосинтеза на 41$; при концент-деи аммиака 120 мг/м3 параметры замедленной флуоресценции ( Jai in-) снижаются по сравнению с контролем на 49$. У липы жолистной величина dm уменьшается по сравнении с контролем

на 50 и 29% соответственно при .концентрации аммиака 40 и 120 ыг/м3. Через сутки после газирования концентрацией 40 кг/м3 i березы повислой и клена остролистного параметры замедленной флуоресценции практически восстановились до уровня контроля, липы мелколистной (неустойчивый вид) восстановление фотосинт( произошло через 3 суток. При концентрации аммиака 120 мг/м3 * рез 3 суток после газирования интенсивность фотосинтеза bocci навлив^ется до 67-70% к контролю у устойчивого вида - б.ерезЫ; и до 55-64$ к контролю у средне- и неустойчивого вида (клена и липы).

Сравнивая эти данные со скоростью удаления поглощенного аммиака, можно отметить, что при низкой концентрации газа вое становление замедленной флуоресценции у растений происходит быстрее, чем удаление аммиачного азота из листьев. Так, у 6ej зы и клена параметры замедленной флуоресценции восстанавливай ся до 'уровня контроля уже через сутки после газирования, в тс время как накопленный аммиачный азот удаляется из листьев toj ко на третьи сутки. У липы замедленная флуоресценция восстанг ливается через 1-2 суток после газирования, а полное удаление аммиачного азота происходит через 3-4 суток. При более высом концентрациях аммиака (120 мг/м3) скорости восстановления замедленной флуоресценции и удаления поглощенного аммиака праи чески выравниваются, что, вероятно, объясняется большей степе нйю повреждения фотосинтетического аппарата.

У устойчивого вида наблюдается не только восстановление раметров замедленной флуоресценции и фотосинтеза, но и некотс повышение их по сравнению с контролем при низких концентрация аммиака.

■.' 4. СОДЕРЖАНИЕ ОБЩЕГО АЗОТА В ЛИСТЬЯХ И ХВОЕ ДРЕВЕСНЫХ РАСТЕНИЙ И ИХ ГАЗОУСТОЙЧИШСТЬ

Наши исследрвания в 1991 г, показали, что в оптимальных погодных условиях наибольшее фоновое содержание общего азота было у. устойчивых и среднеустойчивых' видов - 34,8 мг/г и 32,9 мг/г соответственно. У неустойчивых видов фоновое содержание общего азота составило 25,4 мг/г. В экстремальных погодных ус

эс эта закономерность нарушается. В частности, в жаркое и су! лето 1992 г. наибольшее фоновое содержание азота, наблюда-ь у устойчивых (36,1 мг/г) и неустойчивых (40,3 мг/г) видов, среднеустойчивых оно составило 29,8 мг/г,

В 1991 г. экспериментальное газирование листьев древесных тений аммиаком концентрацией 1ЗД мг/м3 вызвало увеличение со-вкания общего азота у устойчивых видов на 45% по сравнению с геролем, у среднеустойчивых - на 30$ и у неустойчивых - на I. В 1992 г. у устойчивых видов содержание общего азота увели-юсь при концентрации газа 180 мг/м3 на 69$, у среднеустойчи-: видов - на 65%, и у неустойчивых - на 80%.

Среди хвойных пород наибольшее фоновое содержание общего 1та было у ели. Фоновое содержание общего азота у однолетней 1И было больше, чем у двухлетней, а у последней больше, чем ■рехлетней. Так, у однолетней хвои ели фоновое содержание об-'о азота составляет 36,7 мг/г, что на 23% больше, чем у двух-?ней, и на больше, чем у трехлетней хвои. У сосны содержа-г общего азота у одно- и двухлетней хвои оказалось близким -,1 мг/г и 26,7 мг/г соответственно, у трехлетней хвоя оно зна-гельно ниже - 20,2 мг/г. Экспериментальное газирование хвойных эод разными концентрациями аммиака показало, что во всех вари-гах опыта однолетняя хвоя накапливает большее количество обще-азота, чем двух- и трехлетняя, что связано с. более высокой ¡иологической активностью молодой хвои.

При действии низких концентраций аммиака (таблица 3) наивнее количество общего азота накапливал устойчивый.вид - база повислая.

Таблица 3

Изменение содержания общего азота в листьях древесных растений после разового поглощения аммиака

Виды эевесных растений

Накопление общего азота, мг/г

после ] через 1 через { через газирования } I сутки | 2 суток { 3 суток

Концентрация /УН3 40 мг/м3 реза повислая 3,67*0,24 2,50 * 0,21 .2,00 *0,17

Продолжение таблицы 3

. ¡^ и д ы | Накопление общего азота, мг/г

даеВеС^ раСТ6" ! после ! через I через ! через и |ГазированиЯ| I сутки j 2 суток j 3 суто

Клен ост]юлистный 5,84*0,37 3,67± 0,32 2,67 ±0,28 Липа мелколистная 6,50* 0,33 5,66*0,41 5,00*0,24 4,93*

I

Концентрация А/Н 60 ыг/м3

1 з

Береза повислая 5,17±0,47 4,00*0,34 3,26*0,39 Клен остролистный 7,50* 0,48 5,17*0,36 .4,16*0,22 Липа мелколистная 8,17*0,37 7,76 * 0,41 6,84 * 0,31 6,50*'

Неустойчивый вид - липа - накапливает азота почти в 2 раз больше,,-чем береза при концентрации газа 40 мг/м3 и в 1,5 раза больше при концентрации 60 мг/м3. Через сутки после газировани концентрацией 40 мг/м3 количество поглощенного общего азота у ; тойчивого и среднеустойчивого видов уменьшается почти на треть через двое суток - наполовину. При концентрации аммиака 60 мг/ количество накопленного азота у березы уменьшается на 23%, у клена - на 31$, а у липы только на 5$. Через двое суток колич* тво поглощенного азота у березы и клена уменьшилось на '37 и 455 соответственно, а у липы за то же время - на 16$.

При действии аммиака концентрацией 360 мг/м3 большее количество общего азота среди хвойных пород накапливает ель eßponei екая - 10,3 мг/г, что на 31$ больше, чем у сосны обыкновенной (7,9.иг/г). При газировании концентрацией 420 мг/м3ель накапливает 14,6 мг/г общего азота, т.е. на 60$ больше, чем сосна {9,1 мг/г). В первые сутки после газирования у сосны обыкновенной более интенсивно уменьшается содержание накопленного общегс азота у однолетней хвои, а у ели европейской - у одно- и трехлетней хвои. Однако в течение длительного.времени интенсивносп этого, процесса у всех возрастов хвои у обоих видов практически выравнивается.

Следует отметить, что уменьшение содержания общего азота ! времени происходит менее интенсивно по сравнению с уменьшением

содержания аммиачного азота, что данно объяснить связыванием аммиака в органических соединениях (аминокислоты, белки и др.).

5. ИССЛЩОВЛНИЕ ГАЗОПОГЛОТИТЕЛЬНОЙ СПОСОБНОСТИ ДРЕВЕСНЫХ РАСТЕНИЙ ПРИ ПЕРИОДИЧЕСКОМ ЗАГРЯЗНЕНИИ ВОЗДУХА

Исследования проводились в зоне влияния промышленных выбросов Новомосковского ПО "Азот". Атмосферное выпадение нитратного и аммонийного азота в этом районе составляет 1,6-2 т/км" в год, вблизи завода оно увеличивается до 3 т/км в год. В результате установлено, что окислы азота и аммиак могут ассимилироваться растениями и вовлекаться в метаболизм азотистых веществ. В зоне постоянного загрязнения воздуха содержание общего азота в листьях значительно возрастает по сравнению с контролем (таблица 4).

Таблица 4

Содержание общего и аммиачного азота в листьях древесных растений в условиях постоянного загрязнения воздуха и в

контроле

Вид ' ! Содержание общего ! Содержание амкнач-

древесных растений азота, иг/г сух. ного азота, мг/г ! веса сухого веса

Контроль

Липа мелколистная 42,59± 0,60 0,88 ±0 ,10

Ясень зеленый 43,34* 0,67 0,93 ± 0 ,п

Вяз гладкий 47,92* 0,44 0,87 ± 0 ,10

Клен ясенелистный 22,42 ±0,25 1,22 ±0 ,15

Клен остролистный 58,34 ±0,56 1,55 ±0 ,15

Ива белая 15,84* 0,13 0,62 ±0 ,ю

Бузина кистистая 49,58 ± 0,78 0,53 ±0 ,09

В условиях загрязнения

Липа мелколистная 52,75 ±0,55 1,46*0 ,12

Ясень зеленый 56,25 ±0,63 1,25*0 ,16

Вяз гладкий 63,75 ±0,76 1,17*0 ,21

Клен ясенелистный 43,75 ±0,Ш 1,54 ±0 ,19

Клен остролистный 75,50 ±0,66 1,69 ±0, ,1?

Ива белая 23,42 ±0,50 1,И±0 ,14

Бузина кистистая 64,17 ±0,74 "1,20 ±0, .1?

У-липы мелколистной содержание общего азота увеличилось на 24$, у ясеня зеленого - на 16£, вяза гладкого - на 33%, клена ясенелистнсго - на 9555, клена остролистного - на 29$, ивы белой • - на 48%, бузины кистистой - на 29%. Содержание аммиачного азота в условиях постоянного загрязнения воздуха у большинства видов возрастает незначительно. Исключение составили липа мелколистная, у которой содержание аммиачного азота превышает уровень контроля на 66$, ива белая (превышение контроля на 79%) и бузина кистистая (126$). Видимых повреждений ассимиляционных органов при этом не зафиксировано.

Снижение содержания общего и аммиачного азота в листьях древесных растений после переноса в чистую атмосферу происходит медленнее, чем в экспериментах с искусственной газацией, что можно объяснить различиями в режиме действия аммиака на заводе и в экспериментах, а также степенью биохимического связывания ионов аммония. I

6. ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ НОРМИРОВАНИЕ ДОПУСТИМОГО ХИМИЧЕСКОГО ЗАГРЯЗНЕНИЯ АТМОСФЕРНОГО ВОЗДУХА

В.С.Николаевский и О.В.Чернышенко (1987, 1988) разработали новый метод определения поглотительной способности лесных экосистем. Этот же метод был использован В.С.Николаевским (1993) для обоснования критических нагрузок диоксида серы для лесных экосистем европейской части СССР. Основой этого метода является" экспериментальное определение пороговый-Уровней накопления пол-лютанта из воздуха для основных групп лесообразующих пород ' (хвойные и лиственные), при превышении которых на хвое и листьях появляются некрозы. Таким образом устанавливается критическая нагрузка (мг поллютанта в I г сухого вещества) на ассимиляционный аппарат древесных растений. Можно предполагать, что. при этой нагрузке не будет существенного подавления фотосинтетической- деятельности и, следовательно, снижения продуктивности насаждений. Превышение этой нагрузки вызывает появление некрозов, сокращение ассимиляционной поверхности крон и подавление фотосинтетической продуктивности экосистем.

Так как клетка, организм и фитоценоз являются в биофизическом отношении открытыми системами, то процессы перераспределе-

ния азота в них постоянно ведут к удалении поглощенного аммаака. Поэтом!' при расчете критической нагрузки необходимо учитывать скорость удаления поглощенного аммиачного азота из растений (ас-сиыиляционных органов).

Было установлено, что п случае действия непоарегдаащизс концентраций амшака, последний подвергается перераспределению по органам растения, удаляется обратно в атмосферу. Эти процессы у лиственных пород за 2-3, а у хвойных пород за 3-5 дней приводят к полному удалению поглощенного аммиачного азота из ассимиляционных органов.

Учитывая процессы удаления поглощенного аммиака, пороговые уровни накопления аммиачного азота в ассимиляционных органах, длительность активного поглощения газа (вегетация) и запас сухой зеленой фитомассы на I га'насаждения, нами была рассчитана критическая нагрузка аммиака для лесных насаждений по формуле:

Т

Р = 0,82 • V" К • С •-2- ,

ТУ

где Р - критическая нагрузка за вегетацию, кг азота на I га;

V- сухая фитомасса листьев или хвои на I га, кг;

К - коэффициент физиологически допустимого (критического) накопления аммиака;

С - коэффициент, учитывающий многолетний срок жизни хвои и поглощения газа;

Т - длительность вегетации, дни;

Ту- время удаления накопленного аммиака, дни (лиственные породы - 3 дня, хвойные - 5 дней);

0,82 - коэффициент для перехода от //Нз к М .

Определенные нами экспериментально пороговые уровни накопления аммиачного азота для основных лесообразующих пород оказались равными: береза повислая - 1,2 мг Нз в I г сухого веса листьев, клен остролистный - 1,2 мг/г сухого веса, липа мелколистная - 1,9 мг, сосна обыкновенная —1,1 мг, ель европейская - 1,8 мг. Поэтому коэффициент физиологически допустимого (критического) накопления аммиака (К), определенный по наиболее чувствитзльнай породе, составит для лиственных пород - 0,0012; для хвойных пород - 0,0011.

Результаты расчета критических нагрузок аммиачного азота на лесные экосистемы европейской территории России представлены в таблице 5.

Таблица 5

Критические нагрузки аммиачного азота для лесных экосистем европейской территории России

Лесорасти-тельная зона

Тип растительности

! Запас | Длитель- ! Критическая 1 сухой зе-{ ность } нагрузка,

| томассьг?"! ^еТа" «Д

} кг/га

дни

!

Тувдра

Северная тайга

Средняя тайга

/.войно-широколиственные леса

-Кустарниково-моховая

Хвойные леса

Хвойные леса

Лиственные леса

Хвойные леса

Лиственные леса

1250 ао 16,1

3250 120 35,2

4700. 160 54,3

4000 во 105,0

4000 200 57,7

3800 100 124,6

Таким образом, при разработке экологических нормативов допустимого химического воздействия на лесные экосистемы, необходимо учитывать лесорастительные и физико-географические условия, плодородие почв, продуктивность экосистем. Так как продуктивность лесных экосистем на территории России увеличивается с севера на юг и несколько слабее с востока на запад и соответственно изменяется количество зеленой фитомассы на I га, то допустимые критические уровни содержания аммиака в воздухе и критические нагрузки аммиачного азота на I га в год будут наименьшими в условиях тундры и северной тайги, а по мере улучшения экологических условий при движении с севера на юг и с востока на запад в пределах каждой леоорастительной зоны они будут увеличиваться.

■р пределах одной леоорастительной зоны для лесных экосистем на бедных песчаных почвах критические уровни и нагрузки аммиака

удут ниже, чем на суглинистых и плодородных почвах!

Необходимо отметить, что в связи с близкой токсичностью ,ля растений и /^Нз и чувствительностью видов к ним

Николаевская, 1992) можно полагать, что пороговые уровни на-опления окислов азота и аммиака будут близкими. Поэтому кри-ически& нагрузки этих двух ингредиентов также будут близки ли почти идентичны. Это объясняется т^м, что у всех высших астений имеется высоко эффективная ферментативная окислитель-о-восстановительная система, позволяющая Легко и быстро транс-ормировать в клетках любые формы минерального азота независимо т способа его связывания (из почвы или воздуха). Поэтому пог-ощенный листьями аммиак, как и избыток'поглощенного корнями зота, растения способны удалять в воздух не только в восста-овленной ( но и в окисной ( ^ 0х) форме одновременно

Николаевский, 1976).

С другой стороны известно (Марценюк, 1976), что окислы зота и аммиак сходно способствуют накоплению в клетках расте-ий общего и органического азота, что также объясняется нали-ием в них эффективной ферментативной системы окисления и вос-гановления азота. Поэтому различия и сходства в устойчивости астений к этим газам ( NН и Уо ) обусловлены, по-видимоцу,

3 X

азличиями в скорости превращения форм минерального азота и вязывания-его в органические соединения.

Следовательно, расчетные величины критических нагрузок кислов азота на лесные экосистемы можно считать сходными с агрузками аммиака. Другими словами, можно считать, что по$у-энные нами критические нагрузки аммиака являются и критич^еки-1 нагрузками окислов азота, а там, где присутствуют оба газа, < суммой.

Карта критических нагрузок аммиака для лесных насаждений вропейекой территории России приведена на рисунке. Показатели ритических нагрузок аммиака (по азоту) для лесных экосистем вропейекой территории России можно и следует рассматривать как показатели устойчивости последних. Б диссертации приведена зкже карта среднегодовой интенсивности выпадения аммиачного зота на европейской территории России.

КАРТА КРИТИЧЕСКИХ НАГРУЗОК АММИАЧНОГО АЗОТА (кг А/ /га год ) ПО КЙДЦРАТАМ СШИ ЕМЕП НА ЬШШЮлОЙ ТЕРРИТОРИИ РОССИИ

ОБЩЕ ВЫВОДЫ

1. В результате проведенных исследований экспериментально тределены различия в устойчивости к аммиаку основных древесных >род европейской территории России и выявлена роль некоторых сологических факторов в устойчивости древесных растений к это-г газу..

2. Степень повреждения древесных растений аммиаком пропор-шнальна скорости поглощения газа и накопления общего и аммиач->го азота. Чувствительность и устойчивость древесных растений аммиаку зависит от скорости- поглощения и накопления газа, со-?расания общего азота в условиях чистой атмосферы, скорости ;аления из листьев азота и его нейтрализации в клетках.

3. Выявлены и изучены особенности поглощения аммиака и

'о удаления в зависимости от погодных условий, концентрации газа устойчивости видов, режима действия газа.

4. Аммиак в слабых концентрациях может вызвать активации медленной флуоресценции листьев древесных растений и, следо-зтельно, увеличение фотосинтеза. Высокие концентрации газа выдают. подавление замедленной флуоресценции и фотосинтеза.

5. Удаление поглощенного аммиака из листьев сопровождается установлением замедленной флуоресценции и фотосинтеза. Послед-1е возвращаются к норме часто через фазу активации раньше пол->го удаления аммиака из листьев.

6. Листья древесных растений даже в условиях чистого возду-1 содержат свободный аммиак, который образуется, вероятно, :ледствие постоянно осуществляющихся процессов синтеза и распа-1 азотсодержащих соединений (бе.'ков, аминокислот) и восс.т^нов-;ния оксидов азота. Наименьшее фоновое содержание аммиака в гстьях имеет среднеустойчивые к аммиаку виды, наибольшее - не-:тойчивые виды, а устойчивые занимают промежуточное положение. >дтвержден вывод В.Ф.Альтергота (1937) об увеличении с одер* а-1Я аммиака в листьях растений под влиянием засухи и высокой гипературы.

7. В условиях постоянного или частого периодического дей-гвия аммиака (Новомосковскоа ПО "Азот") в листьях древесных астений увеличивается содержание общего и аммиачного азота по равнению с контролем.

го

8. Определены критические пороговые уров№ накопления азота для хвойных и лиственных пород при действии на них аммиака: для лиственных пород - 1,2 мг/г сухого вещества, для хвойных - 1,1 мг/г.

9. Рассчитаны критические нагрузки азота аммиака для лист венных и хвойных насаждений основных лесорастительных зон европейской части Российской Федерации.

10. Обоснована возможность расчета критических нагрузок азота окисных форм ( по тем же параметрам, как и при рас чете по аммиаку.

11. Составлена карта критических нагрузок азота атмосферны; загрязнителей для лесных экосистем европейской части Российско! Федерации и превышений нагрузок над критическими, что позволяем выявить неблагополучные по загрязнению среды регионы.

По материалам диссертации опубликованы следующие .работы:

''V

1. Волкова М.В. Биоиндикация загрязнения воздуха и состояние древесных растений в условиях промышленного загрязнения

// Актуальные проблемы экологии: экологические системы в естест венных и антропогенных условиях среды. - Свердловск, УрО АН СССР, 1989. - с. 18. .

2. Волкова М.В. Изменение состояния древесных растений в условиях промышленного загрязнения //Охрана и рациональное ис-. пользование лесных ресурсов. Тезисы докладов Всесоюзной конференции молодых ученых и специалистов. - М., МЛТИ. - 1990,- с.II

3. Волкова М.В. Влияние промышленного загрязнения воздуха на морфометрические и анатомические показатели вегетативных органов древесных растений // Экология и защита леса. Межвузовски сборник научных трудов.- С.- П., ЛГА,- 1992.-е., 19-23. ■

4. Волкова М.В. Газопоглотительная способность и устойчивость древесных растений к повреждающему действию аммиака //Экология леса и охрана природы. Сборник научных трудов,- М., БНИИДМ, 1393. - с. 105-Ш. .

5. Волкова М.В. Накопление общего азота в листьях и хвое древесных растений при действии на них аммиака // Охрана лесных экосистем и рациональное использование лесных ресурсов. Всерос-

ийская научно-техническая конференция. Тезисы докладов. Т. 4,-I., МГУЛ. - 1994. - с. 81-82

6. Волкова-М. В., Николаевский B.C. Эколого-физиологические юно вы расчета критических нагрузок аммиачного азота для лесных косистем европейской территории России // Экология и защита де-а. Межвузовский сборник научных трудов. - С.- П., ЛТА 1в печати).

7. Волкова М.В. Поглощение аммиака листьями и хвоей дре-есных растений при разной степени повреждаемости газом. -¡аучные труды МГУЛ ( в печати).