Эколого-физиологическое состояние лесов, загрязняемых промышленными эмиссиями

Михайлова, Татьяна Алексеевна

Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему
Эколого-физиологическое состояние лесов, загрязняемых промышленными эмиссиями
ВАК РФ 03.00.16, Экология

Автореферат диссертации по теме "Эколого-физиологическое состояние лесов, загрязняемых промышленными эмиссиями"

2 '1 ФЕ3

На правах рукописи

МИХАЙЛОВА ТАТЬЯНА АЛЕКСЕЕВНА

ЭК0Л0Г0-ФИЗИ0Л0ГИЧЕСК0Е СОСТОЯНИЕ ЛЕСОВ, ЗАГРЯЗНЯЕМЫХ ПРОМЫШЛЕННЫМИ ЭМИССИЯМИ

03.00.16 - Экология

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора биологических наук

Иркутск - 1997

Работа выполнена в Сибирском институте физиологии и биохимии растений СО РАН

Официальные оппоненты: доктор биологических наук

профессор

Академик Академии проблем сохранения жизни, Международной Академии экологии и безопасности B.C.Николаевский

доктор биологических наук Академик Петровской Академии наук и искусств В.Н.Моложников

доктор биологических наук профессор

Академик Академии аграрного образования Й.Э.Илли

Ведущая организация: Институт леса и древесины им.В.Н.Сукачева СО РАН

Защита состоится " в Г7_ часов

на заседании диссертационного совета Д 063.32.06 по защите диссертаций на соискание ученой степени доктора биологически наук е Иркутском государственном университете по адресу: 664003, г.Иркутск, ул.Сухэ-Ватора, 5, ауд. 219.

С диссертацией можно ознакомиться б библиотеке Иркутского государственного университета

Автореферат разослан — 1997г.

Ученый секретарь

диссертационного совета ЛШыЯ Е.С.Купчинская

Введение

Актуальность теш. Пока нет единой научной концепции оценки изисных экологических ситуаций, вызванных прогрессирующим заг-знением окружающей среды. Это связано, в первую очередь, с не-статком региональных разработок теоретического и практического ана, позволяющих с наибольшей достоверностью диагностировать менения состояния биогеоценозов в конкретных ситуациях. Лред-йкалье - один из регионов, остро нуждающихся в такой информа-и. Длительное воздействие атмосферных выбросов крупных индуст-аяьных центров - Братска, Усть-Илимска, Саянска, Зимы, Черемхо-, Усолья-Сибирского, Ангарска, Иркутска, Шелехова - привело к явлению экологически неблагополучной обстановки на огромной рритории. Состояние лесов с высокой степенью адекватности отра-ет сложившееся здесь положение. Особенно чувствительны к атмос-рным токсикантам хвойные насаждения, доминирующие в регионе, учение изменений лесных фитоценозов, включая такой аспект, как элого-физиологические реакции растений на воздействие загрязни-пей, позволяет получить представление о трансформации насажде-я в зависимости от уровня эмиссионной нагрузки. Эти данные не-<одимы для разработки принципов биомониторинга, прогнозирования гативных экологических явлений и осуществления мероприятий по предупреждению или устранению. Таким образом, актуальность эгопланового изучения угнетения лесов токсическими эмиссиями в здбайкалъе диктуется как сугубо научными интересами, так и пос-?нными практическими запросами.

Цель и задачи работы. Основная цель исследования - изучить злого-физиологические изменения хвойных деревьев и древостоев, ввергающихся воздействию промышленных токсикантов, оценить на ж основе состояние лесов в индустриальной зоне Предбайкалья, ?ь прогноз его дальнейшей трансформации.

Для достижения цели предполагалось решить следующие задачи:

1. Исследовать фитотоксическое воздействие приоритетных заг-¡нителей с учетом региональных природных особенностей.

2. Изучить сравнительную газоустойчивость хвойных и листвен: пород и ее видовые, возрастные, сезонные особенности.

3. Исследовать патологию и защитные механизмы хвойных деревь-при поражении токсическими газами.

4. разработать принципы определения предельно допустимых кон-граций токсических газов для древесных растений.

- г -

Б. Определить наиболее приемлемые показатели, пригодные д диагностики жизненного состояния деревьев, подвергающихся мног летнему угнетению промышленными эмиссиями.

6: Обосновать критерии выделения древостоев по степени их у нетения и проанализировать эколога-физиологические особенное выделенных градаций.

7. Выяснить роль сопутствующих токсическому загрязнению п родных и антропогенных факторов в ослаблении древостоев.

8. Охарактеризовать (в пространственном аспекте) основн направления прогрессирующей деградации древостоев в регионе.

9. Разработать рекомендации по ведению мониторинга лесо загрязняемых азропромвыбросами.

Основные положения, выносимые на защиту

1. Несмотря на то, что устойчивость хвойных к токсикантам целом на порядок ниже таковой лиственных пород, они обладают о ределенными защитными средствами детоксикации загрязнителей. О новные среди них: физиолого-биохимические механизмы, препятству щие повышению окислительного потенциала в клетках; отток токе канта из мест поступления по проводящей системе с последующим в ведением (главным образом через корни), а также изолирование е в мертвых и слабо функционирующих тканях.

2. Особенности проявления токсикоза древесного растения зав сят от типа его повреждения. Острое, хроническое (кумулятивное) скрытое (латентное) повреждения имеют принципиальные отличия к в визуальном проявлении, так и в физиолого-биохимическом, одна жестких границ между ними провести нельзя.

3. Жизненное состояние какого-либо древостоя следует оцен вать по жизненному (физиологическому) состоянию, присущему бол шинству деревьев его составляющих. Основным критерием выделен параметров-индикаторов, пригодных для диагностики физиологическ го состояния дерева, служит наличие корреляционной связи их приоритетным негативным фактором (в частности, загрязнением). Б деленные параметры-индикаторы служат базовыми для последуют группировки древостоев по их состоянию.

4. В регионе превалирует кумулятивный тип ослабления лес многокомпонентными токсическими эмиссиями, приводящий к постепе ной потере устойчивости деревьев при их хроническом отравлена Существует общая закономерность развития патологического процес

древесных растений, поражаемых разными токсикантами. При этом юцесс угнетения древостоев последовательно проходит несколько >адаций.

5. Степень угнетения древостоя не всегда адекватна уровню его 1грязнения из-за особенностей трансформации поступающих токси-штов в растительном организме и лесной экосистеме в целом, а иоке в связи с вмешательством сопутствующих природных и антропо-¡нных факторов, изменяющих воздействие загрязнителей.

Научная новизна работы. Впервые с применением натурных и зкс-»риментальных методов проведены эколого-физиологические исследо-шия хвойных Предбайкалья, загрязняемых промышленными эмиссиями, »учено фитотоксическое действие приоритетных для региона кисло-ценных газов и их смесей, при этом обнаружена наибольшая агрес-[вность фтористого водорода, в смеси с другими газами выступаю-то доминирующим токсикантом, либо провоцирующего эффект синер-;зма. Дана сравнительная оценка газоустойчивости хвойных и лист-нных древесных растений и рассмотрены видовые, возрастные, сеяные особенности повревдаемости деревьев и уровня загрязнителей тканях. На примере фторидов исследованы пути поступления токси-лтов в растение, перемещение их в органах и тканях, , локализа-:я, выведение, постфумигационное влияние на растения. Выявлены личия развития патологического процесса при остром, кумулятив-м (хроническом), скрытом (латентном) типе повреждения расти-льного организма. Показаны видовые изменения метаболизма у ойных деревьев (сосны обыкновенной, лиственницы сибирской, ели ыкновенной) с момента их начального поражения токсикантом до обратимого ослабления и усыхания и особенности проявления за-тных механизмов, направленных на детоксикацию загрязнителя, зработаны критерии и принципы определения предельно допустимых нцентраций токсикантов для древесных растений и установлена ПДК ора для хвойных пород.

Установлена общая последовательность эколого-физиологических рушений, присущих процессу угнетения древостоев и приводящих к степенной потере устойчивости при их хроническом отравлении эмышленными эмиссиями разных типов. С использованием методов тематического анализа выделены репрезентативные показатели, ягодные для диагностики жизненного состояния как отдельного дева, так и всего древостоя, показало значение их как основы при

проведении мониторинга лесов, загрязняемых аэропромвыбросами. Bi явлена роль сопутствующих загрязнению природных и антропогенн факторов, в том числе, насекомых, макро- и микромицетов, особе] ностей климата и рельефа. Обоснованы принципа составления реш нальных эколого-фитотоксикологических карт, отображающих сосю: ние лесов и необходимых для научного прогнозирования ситуации учетом динамики эмиссионной нагрузки.

Теоретическая значимость работы. Разработан комплексный эю лого-физиологический подход к диагностированию состояния хвойга лесов, загрязняемых промышленными эмиссиями. При этом градац жизненного состояния древостоев предложено определять на осно: репрезентативных показателей, отражающих основные мегаболичесге процессы и обнаруживающих корреляционную связь с приоритетным н< гативным фактором. Изучена последовательность развития патолоп ческого процесса у хвойных, поражаемых токсикантами, и выявле; его ключевые моменты. Таковыми являются: резкое повышение окисл] тельного потенциала в клетках хвои и, как следствие, нарушен] процессов метаболизма, приводящее к подавлению синтеза полимера соединений, обусловливающих прирост; накопление низкомолекуляри веществ, в том числе усиливающих негативное воздействие токсика тов; проявление защитных механизмов, препятствующих отравляюще] действию загрязнителей, на всех этапах угнетения, вплоть до Hai тупления прогрессирующего усыхания дерева; трансформирующее (чаа всего усиливающее) влияние на процесс ослабления деревьев сопут< твуюпдах загрязнению негативных природных и антропогенных факт< ров. Полученные результаты рассматриваются как вклад в развит] теории устойчивости растений к неблагоприятным факторам среды.

Практическая значимость. Обоснована система оценки состоя® хвойных лесов, загрязняемых промышленными эмиссиями. На ее б а разработана карта-схема, отражающая градации ослабленных древо* тоев индустриальной зоны Предбайкалья. Полученная информация по: воляет осуществить прогнозирование состояния лесов при существу ш,ем уровне эмиссионной нагрузки, а также при ее изменении, и соответствии с этим определить лесохозяйственные мероприяти; предупреждающие или снижающие развитие негативных явлений в реп оне. Результаты исследований использованы в научно-пракгическ] разработках: а) Территориальной комплексной схемы охраны приро; г.Братска (1985г.); б) Норм допустимых воздействий на экологичен

до систему озера Байкал (1987г.); в) Территориальной комплексной <емы охраны природы бассейна озера Байкал (1988г.); г) "Принципы становления ПДК токсических веществ для древесных растений" 1988г.); д) "Оценка воздействия выбросов промышленного комплекса Ангарска на состояние растительности и прогноз его изменения ж переводе производств на природный газ" (1992-1993гг.); е)"Раз-Лотка принципов и методической основы создания зколого-фитоток-1кологической карты лесов Приангарья, загрязняемых многокомпо-шгными промышленными эмиссиями" (1995-1996). Даны рекомендации: ) ведению мониторинга лесов на выделенных наиболее подходящих юбных площадях; по оптимальным срокам оценки повреждения и стеши дефолиации крон деревьев; по применению наиболее устойчивых >род древесных растений для озеленения промышленных территорий [окумент о внедрении N5B7-87). Кроме того, данные использованы >и подготовке документов для перевода г.Братска и г.Шелехова в яегорию городов с кризисной экологической ситуацией.

Апробация работы. Отдельные положения работы были представши на Всесоюзном совещании "Газоустойчивость растений" (Новоси-[рск, 1979), Всесоюзной конференции "Проблемы физиологии и био-[мии древесных растений" (Красноярск, 1982), Всесоюзных конфе-яциях "Проблемы экологии Прибайкалья" (Иркутск, ¡82,1988,1993), Научно-практической конференции "Проблемы и пути шонального использования природных ресурсов и охрана природы аунас, 1986), Всесоюзной конференции "Экологическая роль горных сов" (Бабушкин, 1986), Всесоюзной научно-технической конферен-и "Охрана лесных экосистем и рациональное использование лесных сурсов" (Москва, 1987), III Всесоюзной конференции по проблемам зиологии и биохимии древесных растений (Петрозаводск, 1989), ждународном симпозиуме "Экологическая физиология хвойных" (Аба-н, 1991), Научной конференции "Изучение и рациональное исполь-вание природных ресурсов" (Уфа, 1991), Мелсдународной конферен-и по экологии Сибири (Иркутск, 1993), Международном рабочем со-щании "Байкал как природная лаборатория для исследования гло-льных изменений окружающей среды и климата" (Иркутск, 1994), ждународной конференции "Проблемы экологии - Чтения памяти про-ссора М.М.Кокова" (Иркутск, 1995), 2-й Международной науч--практической конференции "Экология и охрана окружающей среды" ермь, 1995), Ежегодном симпозиуме ОФР "Физико-химические основы

физиологии растений" (Пенза, 1996), Международной конференц "Экотехнология-96" (Иркутск, 1996), Международной конференц "Ландшафтное планирование: теория, методы и опыт реализации" (И кутск, 1996) и ряде региональных конференций. Работа в процес ее выполнения регулярно обсуждалась на научных сессиях Сибирско института физиологии и биохимии растений СО РАН (1991-1995гг.).

Публикации. Материалы диссертации изложены в 46 научных раб тах, в том числе, в двух монографиях.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, глав, и заключения, изложена на 369 стр., включает 33 рисунка 35 таблиц, текст составляет 253 стр., библиография - 381 назван

Глава 1. РЕГИОН ИССЛЕДОВАНИЙ

Натурными обследованиями была охвачена лесопокрытая террит рия индустриальной зоны Предбайкалья, включая Братский, Зимин кий, Заларинский, Черемховский, Усольский, Ангарский, Иркутски Шелеховский, Слюдянский районы Иркутской области, а также части но сосновые древостой в Республике Бурятия.

Обследованная территория входит в зону высокого и опаснс потенциала загрязнения атмосферы, что обусловлено присутстви мощных промышленных предприятий и специфическими природными уел виями (горный рельеф, наличие многолетней мерзлоты, слабая азр ция почв, антициклональный тип погоды, продолжительный пери низких температур воздуха, частая повторяемость мощных приземл инверсий, интенсивные речные туманы и др.), крайне неблагоприя ными для рассеивания аэропромвыбросов и, следовательно, для пр цессов самоочищения приземного слоя атмосферного воздуха.

Основными загрязнителями природной среды в Предбайкалье cj жат предприятия теплоэнергетики, химической, нефтехимическс лесной, деревообрабатывающей и целлюлозно-бумажной промышленнс ти, цветной металлургии, автотранспорт, выбрасывающие вещеез 154 наименований.

Различные типы растительности Предбайкалья подвергаются те ногенному воздействию в разной степени и проявляют неодинаков^ устойчивость к атмосферному загрязнению. Наименьшая устойчивое к промышленным эмиссиям присуща сосновым подтаежным лесам равш ной и низкогорной части Предбайкалья. Произрастая в непосрег

венной близости от индустриальных центров, в зеленых зонах горо-ов или даже в городской черте, эти насаждения испытывают наибо-ее сильное воздействие промышленных эмиссий. Луговые и степные итоценозы более газоустойчивы. Таежные темнохвойные леса расп-остранены большей частью на значительном удалении от промышлен-ой зоны, поэтому они испытывают меньшее влияние атмосферных миссий.

Глава 2. ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Обследованы леса Предбайкалья на площади более 5000 км2. В ачестве основного объекта исследований служила сосна обыкновен-ая, являющаяся, с одной стороны, главной лесообразующей и хо-яйственнозначимой породой на данной территории, а с другой - наболев чувствительной к атмосферному загрязнению. Полевые работы роводились в 1975-1995гг. Работа в лесах проводилась маршрут-о-ключевым методом. При сборе материалов использовались инструк-т и методические указания, утвержденные органами лесного хо-яйства (Санитарные правила в лесах СССР,1970; Инструкция по экс-едиционному лесопатологическому обследованию лесов СССР,1983; рограмма-методика организации и проведения работ по регионально-у мониторингу лесов европейской части СССР, 1989), а также мето-ика лесного мониторинга "Санасильва" (Schweizerisches...,1988), ^пользуемая в ряде европейских стран и адаптированная нами во ремя работы к условиям Предбайкалья.

Ключевые участки - круговые пробные площади - закладывали в ревостоях, наиболее характерных для данной территории по составу развитию лесообразуюшх пород, подлеска, кустарникового, травя-э-кустарничкового и мохового покрова. Кроме того, стремились аспределить пробные площади по территории так, чтобы обследова-ие охватило ее полностью, учитывали особенности рельефа, инвер-юнной стратификации атмосферы и преобладающего атмосферного пе-эноса, а также расположение основных источников загрязнения. :его заложено 79 пробных площадей. Пробы хвои для определения цементного состава и содержания пластических веществ отбирали с 3-40-летних сосен, при этом анализировали хвою 2-го года жизни ак наиболее физиологически активную.

Экспериментальная часть исследований выполнена в 1977-1989гг.

на экспедиционной базе Сибирского института физиологии и биохими растений СО РАН в Тункинской долине (Республика Бурятия). Н опытных участках базы использовались стационарные и переносны газовые камеры с контролируемой концентрацией токсических газов лабораторное оборудование для биохимических и токсикологически исследований. Использованы камеры 4 типов, различающихся размера ми, конструкцией и назначением. Разборные переносные камеры обг емом 2,5-3 м3 предназначались в основном для физиологических опь тов, крупногабаритные стационарные камеры объемом 20-25м3 исполь зовались для испытания деревьев на устойчивость к токсиканту, нг весные локальные камеры помещались в кронах, а контактные камер устанавливались на стволах деревьев. С помощью двух последних та пов камер выяснялись пути поступления фтора в растение и его пе ремещение в тканях ствола и ветвей. Продолжительность фумигада газом (фтористым водородом) определялась в зависимости от зада^ опыта. Для контроля за концентрацией токсиканта производился оч бор проб воздуха из камер аспиратором, при этом, в качестве гол лотителя растворимых фторидов служила бидистиллированная водг для улавливания аэрозолей (при отборе проб воздуха вблизи исто1-ников выбросов) использовали фильтр АФА-В-10. Последующее опред< ление содержания ионов фтора проводили фотометрически, отделы для растворимых и твердых фторидов.

Пробы почв и растительных объектов (хвои, листьев, луба, 3с болони, корней) анализировали на содержание фтора после предвар! тельной подготовки - озоления (для почвы - спекания) и дисгшш ции с водяным паром. Концентрацию ионов фтора в дистилляте опр* деляли фотометрически (Киселева,1966; Руководство...,1979). В к мерах степень повреждения деревьев оценивали визуально по кол! честву пораженной хвои (Кулагин,1974). Физиолого-биохимически показатели определялись по общепринятым методикам: активность п< роксидазы - по Бояркину (Бояркин, 1951), содержание пигментов спектрофотометрически (Шяык, 1965), интенсивность дыхания - ] Бойсен-Иенсену, редуцирующих Сахаров - по Хагедорн-Иенсену (Ваш тер и др., 1957), содержание аскорбиновой кислоты - по восстало! ленив йодата калия, сумма органических кислот - титрованием рас1 вором щелочи (Плешков, 1976), количество общего и белкового азо1 измерялось с реактивом Несслера; фракции фосфора определялись М1 либдатным методом (Методы биохимического исследования...,1987

□держание крахмала и растворимых углеводов - антроновым методом фкенсен,1965; Методы химии углеводов,1967). Элементный состав роб хвои определяли следующими методами: содержание серы общей -пектрометрически (Мочалова,1975); содержание кальция, магния, елеза, цинка, марганца, свинца, кадмия, алюминия, меди - атомов абсорбционным методом (Прайс,1976), ртути - атомно-абсорбцион-31м "холодным паром"; калия и натрия - пламенной фотометрией -инькис, Ноллендорф,1982); кремния - весовым методом.

При статистической обработке материалов использовали стан-зртные методы (Плохинский,1970; Лакин,1980).

Глава 3. ОЦЕНКА АТМОСФЕРНОГО ЗАГРЯЗНЕНИЯ РЕГИОНА ИССЛЕДОВАНИЯ

В главе рассмотрены следующие вопросы: общая характеристика 1грязненности территории; особенности распространения эмиссий; мотоксическая роль загрязнителей, присутствующих в выбросах ре-юна; ретроспективная оценка ситуации в регионе, связанная с ¡хногенным загрязнением.

Обследованные районы являются основным местом концентрации юмышленносги Иркутской области, ведущая роль в которой принад-жит пяти отраслевым комплексам - лесопромышленному, тодлив-энергетическому, цветной металлургии, химическому и нефтехими-юкому. Выброс вредных веществ в атмосферу особенно высок в годах, многие из которых включены в список наиболее загрязненных 5У, от общего количества этой категории городов России). Из 'его комплекса загрязнителей, выбрасываемых промышленностью ре-ша, для растений наиболее опасны кислые газы (фтористый водо-д, хлор, окислы серы), пары ртути, аэрозоли тяжелых металлов, ганические соединения. Результаты экспериментальных работ сви-тельствуют, что отравляющее действие фтористого водорода, на ойные деревья в 3-3000 раз выше действия других кислых газов, а смеси НР с БОг или С1г проявляется резко выраженный синергичес-й эффект (Рожков, Михайлова, 1989).

Нами установлена высокая степень корреляции содержания боль-нства элементов в снеге и почве, с одной стороны, и тканях рас-ний, с другой. Вместе с тем, полного соответствия по всем эле-нтам, накапливаемым в почве (снеге), и растениях быть не может ледствие особенностей поглощения загрязнителей растениями, а

также последующей детоксикации и метаболизации их в растительнс организме. Более высокая корреляция обнаруживается с содержание элементов не имеющих большого значения в метаболизме растеш (фтор, свинец, ртуть), а также с некоторыми микроэлемента* (медь, железо, кремний). По всем имеющимся данным выявляется те* денция к повышению загрязненности воздуха в холодный период годг а при оценке летнего загрязнения необходимо делать поправку I специфику почвы как сорбента выбросов. В целом, полученные даннь однозначно свидетельствуют о возможности использования "листовог анализа" для оценки уровня загрязнения той или иной территорь (Михайлова, Воронин,1988; Михайлова, Анциферова,1991; Михайлс ва,1992; Михайлова и др.,1994).

Характер распространения выбросов в регионе определяется, первую очередь, мощностью предприятий и их концентрацией, метес рологическими факторами, рельефом территории, физическим состоя нием токсикантов; очень большую роль в ограничении распростране ния .промышленных эмиссий играет лес. Прослежено рассеивание фг кельных выбросов Братского алюминиевого завода, в частности, гг зообразных и твердых фторидов. Первые более токсичны, но в осное ной своей массе распространяются на меньшее расстояние, чем втс рые. Наибольшая концентрация газообразных фторидов, превышающе таковую аэрозолей, находится в радиусе 4-12 км, а далее содержа ние их снижается, и на расстоянии свыше 30 км они составляй: 10-15% от.общего количества фтора, содержащегося в загрязненнс воздушном потоке. Показано исключительное значение рельефа мест ности в распределении выбросов на загрязняемой территории. Так усыхание деревьев на расстоянии 2-4 км от Братского алюминиевог завода (пойма реки, подветренный склон) происходило позже, чем н отдельных участках на расстоянии 8-10 км (ветроударный склон ■вершина горы).

Первые сведения о повреждении и гибели хвойных лесов в район Братского алюминиевого завода (БрАЗа) поступили в 1968г. Практн чески сразу сотрудниками нашей лаборатории начались наблюдения а состоянием лесов в районе г.Братска. Темпы локального повреждена и усыхания лесов вблизи БрАЗа были очень высоки. Так, по даннь Московского специализированного лесоустроительного предприятия Братского производственного лесохозяйственного объединения, и ре зультагам наших обследований, динамика площади поврежденного лес

окрестностях БрАЗа следующая: в 1968г. поврежденные древостой зставляли 136 га, в 1971г. - 11,2гыс.га, в 1972г. - 15тыс.га, в Э77г. - 42,6тыс.га, в 1982г. - 74тыс.га, в 1985г. - до 80тыс.га яе включены вырубленные усохшие древостой), последние азровизу-пъные и наземные обследования 1987-1988 гг. выявили, что общая гощадь лесов, пострадавших от промышленных эмиссий, составила Итыс.га.

Пуск в эксплуатацию Иркутского алюминиевого завода (ИркАЗ) зуществлен в 1962г. По мощности ИркАЗ примерно в 3 раза уступает зАЗу, вследствие этого, а также по ряду других причин, темпы звревдения лесов в его окрестностях до недавнего времени были зраздо низке, чем вблизи БрАЗа. Первые признаки ослабления сосны 1есъ были зафиксированы в 1974г., а через два года появились :охшие деревья. Наши исследования состояния лесов в окрестностях зкАЗа начались в 1975г. и продолжаются до сих пор. На 1978г. гсновые древостой в окрестностях завода были повреждены на плода, превышающей 16 тыс.га, усыхание деревьев наблюдалось на фритории в 2 тыс.га. По данным на 1984г., площадь поврежденных йросами ИркАЗа древостоев достигла 20 тыс.га (без учета выруб-;нных ослабленных и усохших деревьев). Уровень накопления токси-шта в хвое сосны, произрастающей на удалении 15 км от завода ¡еленая зона г.Иркутска), с 1976г. по 1988г. возрос почти в три еа. В течение этого же периода стали появляться признаки повышения хвои в виде некрозов у деревьев, произрастающих в южном, о-восточном, северо-западном направлениях от завода на расстоя-:и до 10 км. С 1991г. и до настоящего времени фиксируется резкое еличение атмосферного загрязнения на территориях, прилегающих к кАЗу.

Глава 4. УСТОЙЧИВОСТЬ ДРЕВЕСНЫХ РАСТЕНИЙ К ТОКСИЧЕСКИМ

ВЫБРОСАМ

В главе рассматривается видовая, индивидуальная, возрастная тойчивость хвойных к токсикантам, типы повреждений растений ксическими газами, пути поступления токсикантов в растение, их ремещение, локализация и выведение.

Сравнительная газоустойчивость хвойных изучалась по отношению фтористому водороду. Многолетние исследования с использованием

искусственной фумигации в камерах, наблюдения в древостоях, под вергаюпдахся воздействию фторэмиссии, а также результаты биохими ческих анализов позволяют дать оценку относительной устойчивост хвойных деревьев Предбайкалья к этому самому агрессивному кислом газу. Виды располагаются в порядке снижения резистентности следу ющим образом: лиственница даурская, л. сибирская, можжевельни обыкновенный, ель сибирская, сосна обыкновенная, кедр сибирский пихта сибирская. Различия в устойчивости к действию фтора межл соседними породами в приведенном ряду относительно невелики. Есл резистентность к фтору кизильника черноплодного - наиболее газос тонкого из испытанных древесных и кустарниковых растений - оце нить в 10 условных баллов, то устойчивость березы плосколистнс составит 4-5 баллов, а устойчивость всех хвойных будет находитьс примерно в пределах 0,1-0,6 балла (по выживаемости при воздейс твии фторэмиссии).

Процесс ослабления, развития болезни и отмирания дерева прс текает у хвойных в зависимости от вида по-разному. Лиственница, силу анатомо-физиологических особенностей, раньше других реагиру ет на повреждающее действие фтора. Однако она быстро адаптируем ся, соответственно перестраивает метаболизм и может оказыва! длительное сопротивление даже сильному воздействию токсиканта, ели позднее, чем у других хвойных, появляются внешние признан повреждения (хлороз и некроз хвои), медленнее происходит и физис логическое ослабление. В то же время эта порода характеризуете наименьшей продолжительностью периода от необратимого ослаблен? деревьев до их полного усыхания. Для сосны, как правило, xapaf терно соответствие степени внешнего повреждения физиологическоь состоянию дерева, а период усыхания (с момента необратимого ос лабления) может быть довольно продолжительным. Принимая во внимг ние это обстоятельство, а также учитывая распространение cocí как основного лесообразователя, мы пришли к выводу, что сосна наиболее подходящий объект для мониторинга лесов региона.

Газоустойчивость растений и тяжесть последующего их отравлс ния во многом зависят от срока воздействия токсиканта (Рожко! Михайлова, 1981,1989). У лиственницы наиболее высокие повревдае мость хвои и накопление в ней токсиканта (фтора) наблюдаются начале и середине вегетационного периода, у сосны и ели - при вс сенней фумигации. Характерно продолжительное последействие фум!

ации фтористым водородом, проявляющееся в том, что повышенное одержание токсиканта в хвое сохраняется в постфумигационный пе-иод в течение нескольких лет, а визуальные признаки повреждения пород с многолетней хвоей могут даже усиливаться.

Разная газоустойчивость видов хвойных проявляется также в натомическом изменении хвои деревьев, фумигированных №. Отмече-у различия по глубине анатомических нарушений, что связано со груктурными и физиологическими особенностями хвои разных видов, цнако для всех видов характерно приоритетное сосредоточение ток-иканта (фтора) в клетках мезофилла и проводящей системы хвои, ^ответственно, эти ткани поражаются вплоть до полного разрушения первую очередь. В меньшей степени изменяется толщина покровных каней.

Помимо хвойных пород нами изучена устойчивость к фтору местах и интродуцированных лиственных деревьев и кустарников. В рупногабаритных полевых пленочных камерах испытывалось 29 видов, гепень повреждения фиксировалась сразу после фумигации и после зрезимовки. Выявлены виды растений, относительно устойчивые к эйствию токсиканта или обладающие высокой восстановительной спо-эбностыо. Установлены чрезвычайно большие различия у растений по гепени кумуляции токсиканта в листьях. Среди видов, не имевших эврезкдений, кратность превышения фонового содержания фторидов элебалась от 4 у розы морщинистой до 16 у бузины кистистой. Сре-•I "накопителей" токсиканта особый интерес вызывают растения, юсобные сочетать высокое содержание фтора в листьях с малой сепенью их некрозов. На основании проведенных испытаний для по-адок в зонах высокой загазованности рекомендованы: кизильник зрноплодный, дерен белый, бузина кистистая, жимолость татарская, :ина, рябинник рябинолистный, сирень обыкновенная, смородина апийская, яблоня сибирская.

По степени устойчивости к токсикантам гетерогенны не только щы древесных растений, но и их популяции, а также отдельные юби. В опытах с применением искусственной фумигации фтористым городом наряду с быстро усохшими деревьями оказались относи-;льно устойчивые экземпляры, хвоя которых при очень высокой кон-штрации фтористого водорода (до 0,8 мг/м3) была поражена на )-50%. В другом опыте 30-дневная фумигация более низкой концент-щией НР (0,05-0,06 мг/м3) привела к появлению у деревьев еще

больших индивидуальных различий в степени повреждения. Изменена амплитуды повреждаемости растений при высоких и низких концентра циях газа во многом обусловлены различием процессов, приводящих появлению видимого поражения, и их проявлением у отдельных эк земпляров. Полученные результаты послужили основанием для разрг ботки методов выявления растений, обладающих повышенной устойчг востью к токсикантам.

С целью поиска экологических форм хвойных, обладающих повь шенной устойчивостью к фтору, исследована популяция лиственнии даурской, произрастающей в местах постоянного воздействия избытк анионов фтора, а именно, на месторождении флюорита. Эта популяци показала существенно большую устойчивость к действию фтора п сравнению с контрольными популяциями - лиственницы даурской и Забайкалья и л. сибирской из Предбайкалья.

Возрастные особенности накопления токсиканта (фтора) в тканя хвойных изучались в насаждениях, загрязняемых эмиссиями алюминие вых заводов. Исследовались приспевающие и спелые деревья 12-15-летний молодняк лиственницы сибирской, сосны обыкновенной ели сибирской в разных зонах загазованности. Накопление токсикан та в лубе и заболони ствола и тканях корней с возрастом изменяет ся: молодняк всех пород отличается от сильно поврежденных спелы деревьев большим содержанием фтора в корнях и несколько меньшим заболони; интенсивность накопления токсиканта в лубе у сосны возрастом повышается, у лиственницы - понижается, у ели эти раз личия не проявляются. По накоплению фтора хвоей возрастные разли чия невелики во всех зонах загазованности. Особенно показательн сходство уровней накопления фтора в зоне высокой "концентраци выбросов: среднее содержание фтора в хвое спелых деревьев сосн составило 18,87, в хвое молодняка - 19,39 мг%. Уровень токсикант во многом зависит от возраста хвои. Различия в содержании фтора однолетней и двух-трехлетней хвое наиболее значительны в зона высокой и средней концентрации выбросов. Так, в первой зоне коли чество фтора в трехлетней хвое достигало 29 мг% от массы сух в-ва, двухлетняя хвоя содержала около 19-20 мг%, однолетняя - д 12 мг%, молодая хвоя на побегах текущего года содержала около мг% фтора.

Сезонная динамика накопления фтора в хвое сосны в зоне дейс твия выбросов алюминиевого завода свидетельствует о том, что об

вя направленность изменений у спелых и молодых деревьев сходна, [аибольшее количество фтора обнаруживается в хвое деревьев в зим-!ие месяцы. К началу вегетационного периода оно понижается и ми-имаяьно в мае-июле, к концу вегетации уровень токсиканта вновь озрастает. Подобная динамика накопления фтора объясняется прежде сего особенностями сезонных физиологических изменений в расте-ии. Проведенные параллельно визуальные наблюдения за изменением тепени повреждения хвои у тех же деревьев показали ее соответс-вие с ходом изменения содержания фтора. Больше всего поврежден-ой хвои у деревьев отмечается с ноября по март. Сходная картина овреждения хвойных деревьев (пихты сибирской) обнаруживается и ри воздействии серосодержащих эмиссий (Михайлова, Воронин,1988).

С учетом широкого спектра воздействия токсикантов на растения ами выделено четыре типа повреждений, отличающихся по характеру глубине расстройства метаболизма: острое, капельно-ожоговое, умулятивное и скрытое (невидимое, латентное). Четкой границы ежду ними провести нельзя. Степень скрытого воздействия зависит т вида токсиканта, причем фтористый водород вызывает наиболее ирокий набор повреждений. Острые повреждения вызываются воздейс-вием высоких концентраций токсикантов, создающихся при залповых абросах и значительных фонарных утечках. Поражение развивается в ечение нескольких часов (дней) и проявляется в виде хлороза с ^следующей некротизацией тканей листа или гибели всего развиваю-ггося побега. Помимо молодых побегов, при высоких концентрациях жсиканта мы наблюдали также относительно быстрое усыхание одно-гтних и двухлетних побегов. Капельно-ожоговые повреждения проявится в виде некрозных точек и более крупных пятен, перепоясыва-адх хвоинку и постепенно расширяющихся. В подавляющем большинс-зе случаев на хвоинках послеожоговый некроз начинается в апи-альной их части, затем распространяется к основанию. Для кумуля-1Вного типа повреждения характерно стойкое нарушение основных гтаболических процессов, внешне выражающееся в уменьшении размене и массы хвои, преждевременном ее опадении, изреженности и су-звершинности крон деревьев, снижении плодоношения, депрессии зста. Кумулятивное повреждение приводит к постепенному избыточ-)му накоплению токсиканта в ассимиляционных органах и появлению гкрозов.

На примере фтора прослежены разные пути поступления токсичес-

ких веществ в растение - через хвою, корневую систему и ствол Эксперименты выполнялись с использованием полевых пленочных ка мер, в том числе, навесных. Установлено, что процесс освобождена, от фтора наиболее интенсивно протекает в хвое и лубе, которые первую очередь им и насыщаются при фумигации. Чрезмерному накоп лению токсиканта в мезофилле препятствует отток его вместе пластическими веществами в луб. О приоритете флоэмного пут уменьшения концентрации фтора в хвое свидетельствует тот факт что снижение суммарного количества токсиканта в постфумигационны период в хвое и лубе соответствовало повышению суммарного содер зкания его в ритидоме и корнях. Равномерное и притом значительно нарастание концентрации фтора в корнях в постфумигационный перио опыта, а затем спад ее (к началу следующего вегетационного сеза на) не отразились или слабо отражались на динамике его содержали в заболони. Это свидетельствует, с одной стороны, об ограниченно оттоке токсиканта из корней в крону (ксилемный ток), с другой об интенсивном его выведении корнями в почву. Содержание фтора заболони, обнаруженное сразу после фумигации, оставалось затем течение года почти неизменным в то время как в хвое, лубе, риги доме икорнях оно последовательно изменялось в сторону либ уменьшения, либо увеличения. Это означает, что заболонь служи местом консервация токсиканта. Основным местом накопления фтор является ритидом. В эту мертвую часть коры токсикант поступает д тех пор, пока в лубе концентрация его превышает норму. В опыте з 11 месяцев, прошедших после окончания фумигации, содержание фтор в ритидоме в 5,5 раза превысило контроль. При послойном анализ ритидома сосны и лиственницы (деревья III класса возраста) из зо ны высокой концентрации выбросов алюминиевого завода установлено что содержание фтора во внутренней его части может быть почти в раза выше, чем в лубе. Итак, при воздействии фтора происходит да леко не пассивное накопление его в поражаемых тканях дерева. Про цесс этот гораздо сложнее, включает перемещение и перераспределе ние токсиканта внутри растения, отток его из метаболически актив ных тканей, внутреннюю нейтрализацию (консервацию) и выведение в внешнюю среду. О соотношении этих процессов можно судить по тол щине темных стрелок на рисунке 1.

Рис.1. Схема поступления фтора в растение, его перемещения, локализации в тканях и выведения

Глава 5.. ФИЗИОЛОГИЧЕСКОЕ СОСТОЯНИЕ ХВОЙНЫХ РАСТЕНИЙ С РАЗНОЙ СТЕПЕНЬЮ ОСЛАБЛЕНИЯ ТОКСИКАНТАМИ

Прослежены изменения ряда физиолого-биохимических показателе у хвойных, фумигированных фтористым водородом, на разных этап* воздействия токсиканта: в начале фумигации, когда видимых признс ков повреждения еще нет, и при слабой, средней и сильной степен* повреждения хвои (рис.2,3,4). Для исследования использоваь 12-15-летние деревья лиственницы сибирской, сосны обыкновенной ели сибирской. Физиолого-биохимические показатели и накоплен* фтора определялись в той хвое, которая не имела визуальных при; наков повреждения (некрозов) и, следовательно, могла характеризс вать состояние дерева. В качестве контрольных служили деревья тс го же возраста в пленочных камерах, где фумигация фтором не прс водилась.

Изменения физиолого-биохимических показателей у хвойных щ отсутствии видимых признаков повреждения и при слабой степени пс ражения, когда содержание фтора в хвое превышает контроль 1,5-2,5 раза, свидетельствуют о проявлении защитных механизма направленных на его дегоксикацию. В это время происходят актив* рование детоксирующего фермента пероксидазы, повышение интенсщ ности дыхания, окисление аскорбиновой кислоты и использование е водорода на восстановительные процессы, быстрое снижение гаш чества органических кислот (у сосны, кроме того, повышение содер жания свободных катионов), препятствующие сдвигу ионного равнове сия в кислую сторону. Под воздействием токсиканта в хвое первонг чально происходит либо слабое повышение содержания зеленых пиг ментов, либо незначительное сокращение их-, затем при интенсивно развитии некрозов количество хлорофилла в сохранившейся зеленс хвое поддерживается на относительно высоком уровне и составляе 70-75% от контрольного или выравнивается с контролем (у ели) Разрушение пигментов, приводящее к хлорозу хвои, происходит к постепенно, а лишь при накоплении в ней токсиканта до критическс величины.

При повышении степени повреждения (некроз охватывает 40% более хвои, содержание фтора в сохранившейся зеленой хвое в 3-раза превышает контроль) большинство физиолого-биохимических пс казателей свидетельствует уже о снижении защитных свойств, усиле нии расстройства метаболизма, а затем и о необратимом ослаблен!

18 «О

Количество поврежденной хвои,%

Рис.2. Изменение активности пероксидазы в хвое сосны (1), лиственницы (2), ели (3) при разной степени повреждения деревьев фтористым водородом

гго-

имо-

; 100

ео

Рис.3.Изменение интенсивности дыхания хвои сосны (а).лиственницы (б), ели (в) при разной степени ее повреждения фтористым ео-дородом (1- видимых признаков повреждения нет,2-слабая степень повреждения ,3- средняя,4-сильная)

120 г

I 100-

80 ■

60 ■

I з

' Контроль

-Л г

Повреждение, %

Рис.4. Изменение содержания аскорбиновой кислоты в хвое при разной степени ее повреждения фтористым водородом (1-сосна,2- лиственница,3- ель)

дерева. Хотя у лиственницы еще сохраняется высокая активность пе роксидазы, при подавлении дыхания и падении содержания аскорбино вой кислоты это дает 'отрицательный эффект, поскольку повышае окислительный потенциал в клетках. Накопление органических кисло и снижение содержания свободных катионов приводят к необратимом нарушению ионного равновесия. Происходят глубокие нарушения в уг леводном и белковом обмене. С этого времени количество хвои, ещ не затронутой некрозом и содержащей хлорофилл, у всех хвойны быстро сокращается, снижается ее оводненность (восходящий ток стволе падает до минимума), дерево начинает усыхать.

Необходимо подчеркнуть, что в реакции видов хвойных на воз действие токсиканта (фтора) наряду с обащми чертами есть и специ фические. При этом результаты экспериментов и натурных наблюдени вполне согласуются (см.гл.4). У лиственницы скрытый период пов реждения относительно непродолжителен, динамичное развитие физио лого-биохимических нарушений приводит к довольно быстрому их ви зуальному проявлению. Однако период усыхания дерева с момента по явления необратимого ослабления достаточно продолжителен'и може затягиваться на несколько лет. Своеобразие реакции ели на воз действие токсиканта заключается в том, что у этой породы даже пр высоком его накоплении в тканях хвои визуально повреждения долго время не проявляются, не наблюдается значительного усиления окис лительных процессов, уровень аскорбата остается высоким, не обна руживается изменений в содержании пигментов при 5-кратном превы шении фонового уровня токсиканта. Таким образом, для ели характе рен довольно продолжительный период, когда повреждения набираю "критическую массу", а затем проявляются визуально, после чего если дерево обнаруживает признаки необратимого ослабления, следу ет относительно короткий период его усыхания. У сосны воздействи токсиканта чаще всего приводит первоначально к активации многи физиологических процессов, которая в последующем сменяется глубо кой их депрессией. Степень визуального поражения у этой породы как правило, соответствует ее физиологическому ослаблению.

Глава 6. ПРЕДЕЛЬНО ДОПУСТИМЫЕ КОНЦЕНТРАЦИИ ТОКСИКАНТОВ

ДЛЯ РАСТЕНИЙ

Необходимость установления ПДК атмосферных токсикантов дл растений стала общепризнанной лишь в 60-е годы. К этому времен

уже было очевидным, что растения служат незаменимой генерирующей частью окружающей человека среды и что допустимые для человека концентрации азропромвыбросов для подавляющего большинства растений пагубны. Первыми гибнут от загрязнения атмосферы хвойные леса. По нашему мнению, предельно допустимая концентрация атмосферного токсиканта для растений есть такое максимальное содержание его, при котором у них не нарушаются метаболические процессы и не снижается резистентность по отношению к другим повреждающим факторам.

При выполнении исследований разработаны принципы определения 1ДК токсикантов для растений (Рожков, Михайлова, 1988), которыми ■лы и руководствовались при определении ПДК фтора для основных ле-;ообразующих хвойных пород Предбайкалья: сосны обыкновенной, лиственницы сибирской (для сравнения - л. даурской), ели сибирской. С этой целью была поставлена серия опытов с искусственной фумигацией деревьев в полевых пленочных камерах с регулируемым режимом загазованности. Параллельно в древостоях, подвергающихся воздействию выбросов алюминиевых заводов, исследовали динамику топления фтора в хвое деревьев в зависимости от его концентра-дии в атмосфере. В качестве основных показателей состояния дерева три воздействии фтористого водорода принимали: отсутствие или по-твление хлорозов и некрозов хвои, содержание в ней фтора, пробуж-1ение резервных почек и развитие замещающих ауксибластов (признак зслабления работы ассимиляционного аппарата), линейный прирост тобегов и физиолого-биохимические изменения в хвое (активность героксадазы, интенсивность дыхания, содержание фотосинтетических мгментов и аскорбиновой кислоты).

На первом этапе работы была установлена предельно высокая сонцентрация фтористого водорода в воздухе, при которой в течение грех вегетационных периодов у деревьев не появлялись визуальные 1ризнаки повреждения. Эта концентрация составила 1 мкг/м3. Она вызывала накопление в хвое 4-7 мг% фтора. Повышения уровня токси-санта в почве при этом не наблюдалось, следовательно, дополнительного воздействия его на дерево не было. На следующем этапе {айденная предельно допустимая концентрация фтористого водорода уточнялась на основе данных физиолого-биохимических анализов растений, проводившихся в течение двух вегетационных сезонов. В результате установлено, что физиолого-биохимические процессы у растений не изменялись или изменялись незначительно при концентрации

токсиканта в воздухе не выше 0,5 мкг/м3 и накоплении фтора в хвое лиственницы до 4, сосны и ели - до 6 мг% от массы сухого вещества Величина допустимой кратковременной концентрации фтора в воздухе установлена в камерах только по показателю накопления токсиканта в хвое. Обнаружено, что допустимое содержание фтора, найденное в долговременных экспериментах и составляющее 4-6 мгХ, накапливается в хвое при воздействии фтористого водорода концентрации 4 мкг/м3 в течение 6-7 дней.

Глава 7. ФАКТОРЫ ОСЛАБЛЕНИЯ ДРЕВОСТОЕВ, СОПУТСТВУЮЩИЕ ТОКСИЧЕСКОМУ ЗАГРЯЗНЕНИЮ

Анализируя причины ослабления лесов региона, нельзя не учитывать существенную роль таких факторов, как пожары, заморозки, засухи, нападение насекомых-вредителей, распространение грибных болезней, в усилении негативного воздействия загрязнителей. По нашим наблюдениям, совместное воздействие пожара (даже низового) и промышленной эмиссии приводит в ряде случаев к деградации древостоя. Отмечавшиеся в последние годы три случая засухи (1979, 1990, 1993), достигшие критерия стихийного явления, вызвали резко выраженное прогрессирование ослабления и усыхания лесов, особенно в зонах высоких концентраций аэропромвыбросов - вблизи Иркутского и Братского алюминиевых заводов, городов Иркутска, Ангарска, Саянс-ка. Другое частое опасное природное явление на рассматриваемой территории - заморозки. В среднем за вегетационный период регистрируется 4-8 случаев поздневесенних, летних и раннеосенних заморозков. При наложении этого сопутствующего фактора на основной -токсическую эмиссию - негативный эффект резко возрастает. Так, раннелетний заморозок высокой интенсивности в 1992г. вызвал появление некрозов хвои до этого отсутствующих и практически полную гибель молодых побегов ели и частичную сосны во всей Иркутско-Че-ремховской промышленной зоне.

Роль насекомых-филлофагов и ксилофагов в распаде древостоев, загрязняемых азропромвыбросами, в ряде случаев, преувеличивается. Особенно это касается хвойных лесов, усыхающих на больших площадях без участия насекомых. Чаще заселяются уже мертвые деревья.

Основным средством защиты жизнеспособного хвойного дерева от насекомых-фитофагов служат смолистые вещества. Обнаружена обрат-

я зависимость между накоплением фтора в тканях ослабленных де-вьев и содержанием в них защитных веществ (Рожков, Массель, Ми-Алова, 1979; Массель, Михайлова,1980). В зонах действия выбросов юминиевых заводов исследовались сильно поврежденные (70-80% кротической хвои в кроне) спелые и приспевающие деревья сосны, и и лиственницы двух групп: не заселенные и заселяющиеся или ,е заселившиеся стволовыми вредителями. В хвое, лубе и заболони их деревьев определяли уровень токсиканта (фтора) и содержание олистых веществ. Результаты анализов свидетельствуют о больших зможностях защитной системы хвойных в условиях воздействия даже оль мощного агрессивного фактора, как фторсодержащая эмиссия, регистрирован высокий предельный уровень токсиканта в хвое, луи заболони деревьев всех трех пород ослабленных, но не заселя-ихся ксилофагами. Утрата резистентности деревьями проявилась в ижении в хвое, лубе и заболони как общего содержания смол, так уровня их нейтральной фракции (главным образом определяющей эн-моустойчивость дерева). Переход деревьев из категории ослаблен-х, но сохраняющих относительную резистентность к заселению кси-фагами, в категорию доступных для заселения происходит при енынении в лубе общего содержания смол у сосны до 4,5% от сух. ва (в контроле - 6,2%), у ели - до 2,4% (в контроле - 7,7%) и у ственницы - до 1,6% (в контроле - 6,9%). При этом сокращается йтральная часть смол луба, соответственно, в 2,1; 3,4 и 4 раза.

Показано, что ослабленные аэропромвыбросами насаждения харак-ризуются большим распространением в них грибных болезней. Кроме го, на территориях, подвергающихся воздействию промышленных иссий, отмечается значительное сокращение по сравнению с фоно-ми районами видового разнообразия микоризообразователей (с 40% 29%), и в первую очередь симбмотрофов сосны, хотя кумуляция ксикантов, в частности, фторидов, в микоризообразователях наи-ньшая (Petrov, Mikhailova, 1996). Доля гумусовых сапротрофов, против, возрастала, что связано, прежде всего, с появлением ру-ральной растительности на достаточно больших площадях, занятых врежденными и усыхающими древостоями.

Из грибов-микромицетов в условиях загрязнения наибольшее эко-го-хозяйственное значение имеют виды, поражающие кроны деревь-. При сильной степени повреждения ассимиляционных органов повы-этся активность раковых заболеваний и стволовых гнилей. В дег-

радирующих древостоях грибы, как и насекомые, теряют свое пато генное значение: деревья усыхают и без их участия. Уровень зара женности деревьев отдельными видами микромицетов является достс верным показателем для индикации степени загрязнения среды (Морс зова,1992). Это подтверждается полученными нами результатами (Мо розова, Михайлова и др., 1994). Обнаружено, что состав и числен ность грибов зависят от концентрации и типа токсических веществ тканях растений. Так, в древостоях, поврежденных фторэмиссией отличающихся высоким содержанием фторидов в ассимиляционных орге нах хвойных и лиственных деревьев, видовой состав грибов-микроми цётов и их численность минимальны. В районах, где приоритетные токсикантами являются серосодержащие загрязнители, видовой состе разнообразнее и численность грибов выше.

Глава 8. ДИАГНОСТИКА ЖИЗНЕННОГО СОСТОЯНИЯ ДРЕВОСТОЕВ, ОСЛАБЛЕННЫХ ТОКСИКАНТАМИ

При расширении исследований до регионального масштаба встал задача получить »максимум информации о состоянии древостоев дл последующего ее анализа, отбора наиболее репрезентативных показе телей и адекватного отражения ситуации методами картографии. Пр этом за основу был взят "листовой анализ". В хвое сосны определя ли накопление серы, фтора, тяжелых металлов (ртути, свинца, кад мия, железа, цинка, меди, марганца), алюминия, кремния; физиолс гическое состояние оценивалось по содержанию ряда основных макрс элементов и органогенных веществ.Определялся, кроме того, процеЕ дефолиации крон деревьев, а в ряде случаев и другие параметры.

Учитывая, что целью работы было выявить не столько степе! загрязнения окружающей среды, сколько показать последствия этог загрязнения, биологический эффект, проявляющийся в реакции расте ний, главное внимание уделялось диагностике жизненного состоим древостоев. В связи с этим, определение содержания токсикантс интересовало нас в аспекте выявления корреляции их уровня с изм* нением физиологического (жизненного) состояния растительного о{ ганизма.

При выделении параметров-индикаторов, или репрезентативш показателей, исходили из критериев их интегральности и высокс чувствительности к действующему негативному фактору. В качестз

отавного из таких параметров предлагается использовать соотноше-:ие содержания белкового азота к небелковому, этот показатель остаточно информативен, т.к. отражает, с одной стороны, ростовые роцессы, а с другой - степень негативного воздействия токсикан-ов. Нами выявлены значимые уровни положительной корреляции между шцентрацией небелкового азота и содержанием загрязнителей (серы, тора, кадмия, ртути, цинка, меди, железа, кремния), а также пробитом дефолиации кроны дерева. На этом основании можно утверж-ать, что уровень небелкового азота характеризует степень змисси-нной нагрузки на растительный организм.

Выделенный показатель (соотношение белкового и небелкового .зота) показывает отрицательную корреляцию с накоплением загряз-ителей: серы, фтора, кадмия, ртути, меди, цинка, железа, крем-ия, а также с уровнем дефолиации; положительная корреляция обна-ужена с содержанием марганца и кислоторастворимого фосфора. В це-ом, результаты корреляционного анализа, проведенного между всеми змеренными параметрами, характеризующими состояние деревьев на робных площадях, свидетельствуют, что наибольший уровень значи-ых корреляционных зависимостей обнаруживают два интегральных по-азателя: 1) соотношение белкового и небелкового азота и 2) про-;ент дефолиации кроны. Таким образом, показатель, отражающий фи-иолого-биохимические процессы, существенно уточняет визуальные ризнаки состояния деревьев.

Для анализа большого объема полученных данных со всех пробных лощадей потребовалась математическая формализация, позволяющая збежать субъективности. В качестве варианта такой обработки дан-ых использован кластерный анализ. При апробации этого метода был азработан алгоритм унификации (нормирования) полученных разнока-ественных данных и показано его применение, в частности, для вы-еления полей загрязнения лесов разными промышленными источниками Плешанов, Михайлова, 1996). Этот алгоритм применялся и при груп-ировке обследованных древостоев по их жизненному состоянию. Не-осредственное проведение кластерного анализа осуществлялось по пециально созданной компьютерной программе. Графическим изобра-ением результатов кластерного анализа является дендрограмма, где а уровне сходства 82% выделилось четыре кластера - это, по-су~ еству, градации состояния древостоев на обследованной территории рис.5).

1 2а _______26 За 36 4

i-1 г"-------------—1 <-1 с-- ----------------^ ,-, ,-

Рис.5. Дендрограмма сходства пробных площадей по

Кластер 1-й - фоновый, в него объединились пробные площади 'ПП) с самым высогсим соотношением белковой и небелковой фракций изота в хвое деревьев (9,5-7,5) и наименьшим процентом дефолиации :рон деревьев равным 44,7, причем, уровень сходства этих площадей ще выше и составляет 89%.

Кластер 2-й - слабо-среднего угнетения древостоев, очень об-ирный, входящие в него ПП территориально составляют большую :асть площади обследованных лесов, он состоит из двух подкласте-юв (2а и 26). Подкластер 2а объединяет древостой слабого угнете-:ия с соотношением фракций азота от 6,3 до 5,1 и дефолиацией в реднем 45,3%. Подкластер 26 объединяет древостой среднего угнете-:ия с соотношением фракций азота от 4,3 до 3,6 и дефолиацией 46,4%.

Кластер 3-й - средне-сильного угнетения древостоев, объедини-т пробные площади также занимающие значительную часть террито-ии. Он включает два подкластера, объединяющихся на уровне сходс-ва 81% (За и 36). Подкластер За - это объединение древостоев, меющих большее ослабление, чем в подкластере 26, т.е. сред-е-сильного угнетения, соотношение фракций азота здесь варьирует пределах 3,0-2,2, а уровень дефолиации составляет в среднем 3,2%. Подкластер 36 объединил очень сильно ослабленные древос-ои, имеющие соотношение фракций азота 1,7-1,5, а процент дефоли-даи в среднем - 65,0.

И, наконец, 4-й кластер включает те пробные площади, где на-ался распад и усыхание древостоев. Уровень сходства пробных пло-адей здесь самый высокий - 91%, а соотношение фракций азота са-ое низкое - от 1,1 до 0,9, средний уровень дефолиации - 69,7%.

Как видно из приведенных данных, резких границ между подклас-ерами и кластерами по показателям состояния древостоев нет. Поученная информация по состоянию древостоев отражена на каре-схеме (рис.6). При этом, очень сильно ослабленные древостой подкластер 36) и усыхающие (кластер 4) нанесены на карту-схему ак одна градация - "распадающиеся древостой и очень сильно угне-енные". В данном случае это допустимо, поскольку, эти насаждения ходны как визуально, так и по результатам физиолога-биохимичес-их исследований, они обречены на гибель в скором времени. Участи распада и усыхания древостоев концентрируются вблизи городов елехова, Ангарска, Усолья-Сибирского, а также на ряде возвышен-эстей, подпадающих под перенос выбросов.

Сильное и среднее угнетение лесов наблюдается практически |оль всей промышленной зоны Предбайкаяья.

Слабое угнетение фиксируется по неосновным направлениям выб-зсов, либо в тех случаях, когда насаждения защищены от воздейс-5ия эмиссий естественными барьерами.

Полученные материалы позволяют дать прогноз, что при сохраняемся уровне антропогенной нагрузки усиление поражения древосто-! будет происходить по следующим направлениям (если их предстать как трансекты с центром в г.Иркутске): северо-западному - по шине реки Ангары, северо-восточному - по долинам рек Балей и 'да, юго-западному - по долинам рек Олха, Иркут, юго-восточному вдоль правого берега Иркутского водохранилища.

Построенная карта-схема является основой для составления мплексной эколого-фитотоксикологической карты состояния лесов >иангарья.

Токсикологическая характеристика выделенных градаций ослабле-!я лесов основывалась на определении в хвое сосны уровней фито-«сикантов: серы,' фтора, кремния, алюминия, свинца, кадмия, рту., цинка, меди, железа (табл.1). Результаты сравнения уровней ры в среднем по кластерам и подкластерам свидетельствуют о ее коплении с развитием ослабления и деградации древостоев. Повы-нный уровень фторидов в хвое обнаружен у деревьев всех степеней лабления, наиболее высок он на пробных площадях очень сильного нетения, близкого к деградации. Большая доля в усилении эмисси-ных нагрузок на древостой принадлежит тяжелым металлам. Однако, этой группе следует выделить марганец. Как свидетельствуют наши яные, во всех случаях ослабление древостоев сопровождается сни-нием уровня марганца, начиная уже со слабого угнетения. Кроме го, содержание марганца обнаруживает значимый уровень положить ной корреляции с основным показателем жизненного состояния евостовв - отношением белкового азота к небелковому, а также с держанием калия, в то время как с накоплением фтора выявляется рицательная корреляция. Содержание других тяжелых металлов в ое ослабленных древостоев в большинстве случаев превышает их новый уровень: свинца - в 2,0-3,8 раза, ртути - в 1,8-6,9 раза, дмия - до 2,2 раза, меди - в 1,5-2,0 раза, железа - в 1,3-2,8 за. Средняя концентрация цинка при разных градациях ослабления евышает фоновую незначительно, только на отдельных пробных пло-

Таблица 1

Биохимический состав хвои сосны разных градаций жизненного состояния

Элементы, вещества Фон Слабо-среднее угнетение Средне-сильное ослабление Деградация

кластер 1 подкластер 2а подкластер 26 подкластер За подкластер 36 кластер 4

1 2 3 4 5 б 7

Сера х10~2 5,81±0,44 9,20±2,31 9,54±2,71 14,84*4,80 19,85±4,48 31,30+7,26

Фтор хЮ~3 1,64±0,71 3,11±1,52 2,73+1,17 4,46+1,54 7,9910,88 2,2310,11

Кремний х1СГ2 9,73±2,57 15,44±3,70 15,09±3,22 28,81±8,51 32,02+6,18 30,0115,65

Свинец х10~5 1,6910,67 3,52±1,78 4,50±1,80 5,74±1,35 6,5011,42 5,13+1,15

Ртуть Х1СГ6 1,10+0,11 2,03±0,14 3,08±0,37 2,6110,16 3,8810,78 7,5610,67

Медь х10~4 6,95+0,25 8,66+0,31 11,17+0,43 10,69±0,56 7,88±0,50 14,21+0,59

Марганец хЮ-2 3,94±0,23 2,06±0,15 1,82+0,62 1,86±0,80 2,31±0,91 2,37+0,98

Калий хЮ-1 3,75±0,80 3,69±0,92 3,75+1,00 3,44+0,73 3,59+0,88 3,81±0,42

Натрий хЮ-2 1,62±0,42 2,07Ю,15 3,05±0,17 2,42±0,13 3,0110,17 3,58±0,18

Азот белковый 1,09±0,22 1,04+0,14 1,01+0,16 0,95±0,16 1,0710,09 0,8810,11

Азот небелковый 0,13±0,04 0,19+0,03 0,29+0,05 0,38±0,09 0,6810,07 0,88+0,17

N белк./И небелк. 8,4911,01 5,66±0,61 3,92±0,36 2,58±0,40 1,62+0,08 . 1,02+0,10

Фосфор к/р. хЮ-3 44,59±3,45 34,3213,46 32,00±2,34 32,30*3,71 13,46+1,55 10,2111,15

Растворим.углеводы 6,5410,38 5,38±0,31 6,33±0,3б 6,84±0,39 5,37+0,31 3,98±0,23

Крахмал 2,71Ю,08 2,3310,07 1,42±0,02 1,81+0,06 1,5210,05 1,57+0,06

здях превытение составляет 50-70%. На первый взгляд может пока-иься, что накопление тяжелых металлов и алюминия в растениях не голь велико. Однако, в дачном случае фитотоксический эффект слезет рассматривать как результат синергического воздействия на зсные экосистемы многих загрязнителей, поэтому даже сравнительно звысокое количественное превышение фоновых уровней металлов не-1ТИвно сказывается на физиологическом состоянии древостоев. эемний как загрязнитель редко привлекает внимание исследователей, )тя для растений вредна не только тонкодисперстная фракция пыли, здержащей кремний, но и его газообразные соединения, присутству-цие в выбросах алюминиевых заводов в значительных количествах, мученные результаты свидетельствуют об увеличении содержания эемния с усилением ослабления древостоев. Более того, между эовнем кремния и показателем жизненного состояния дерева (отно-зние белкового азота к небелковому) обнаруживается довольно вы-зкая отрицательная корреляция, а с уровнем небелкового азота и [■епенью дефолиации - положительная.

В целом, результаты токсикологического анализа приводят к вы-зду о приоритетности диоксида серы в эмиссионной нагрузке на ле-1, большую роль в ее усилении играют также фториды, кремнийсо-зржащие вещества, аэрозоли тяжелых металлов и отчасти алюминия.

Физиологические особенности древостоев разной степени угнете-1я выявлялись на основании изменения содержания ряда макроэле-знтов и органогенных соединений (см.табл.1). При анализе полу-знных данных об уровнях калия, магния, кальция не выявлено ка-1х-либо закономерностей их содержания в древостоях разных града-ш ослабления. Поскольку концентрация этих элементов в хвое мо-зт изменяться вследствие использования их на процессы детоксика-а также при поступлении из загрязненного воздуха, то, воз-зжно, сложные соотношения этих процессов затушевывают проявление жой-либо тенденции в их содержании. Концентрация натрия нес-злько возрастает по мере усиления деградации лесов. По-видимому, скопление этого элемента усиливает негативное воздействие продленных эмиссий, что подтверждается наличием отрицательной кор-зляции его содержания с соотношением белкового и небелкового азо-з. и положительной - с накоплением небелкового азота.

Нами показано, что уровень общего фосфора малопригоден для арактеристики жизнеспособности растительного организма, в то

время как достаточно чувствительным показателем состояния дереЕ служит содержание органического кислоторастворимого фосфора (фос фор к/р.). В эту фракцию входят соединения, имеющие исключительн большое значение для протекания ростовых процессов.

Данные по содержанию углеводов при разных градациях угнетени древостоев свидетельствуют о наличии выраженной тенденции к сни жению уровня крахмала и мало изменяющейся концентрации раствори мых Сахаров вплоть до стадии деградации. В условиях воздействи неблагоприятного фактора одним из основных защитных механизмов способствующих выживанию растения, служит поддержание возможн более стабильного уровня Сахаров как источников для последующи синтезов и, следовательно, функционирования важнейших метаболи ческих путей. Этот механизм, как показывают данные табл.1, до вольно успешно "срабатывает". И только в деградирующих древосто ях, где деревья уже нежизнеспособны, уровень Сахаров снижается Судя по содержанию крахмала, которое, начиная со средней степен угнетения, падает даже ниже уровня зимнего минимального, концент рация Сахаров поддерживается не только за счет новообразования : процессе фотосинтеза, но и за счет гидролиза этого полимера. Со ответствуют полученным данным и результаты исследований ассимиля ционной активности и состояния пигментного комплекса сосны разно: степени ослабления (Щербатюк, Русакова, Янькова, 1994). Так, продуктивность фотосинтеза в расчете на один двухлетний побег и содержание пигментов резко снижались только при сильном угнетении Кроме того, выявлен высокий уровень отрицательной корреляции между степенью дефолиации сосен и жизнеспособностью пыльцы, при эта подчеркивается, что снижение количества крахмала в пыльцевом зерне является следствием ухудшения общего физиологического состояния дерева (Воронин, Осколков, 1994а,б).

В целом, для обследованных лесов региона характерен кумуляти ный тип ослабления токсическими эмиссиями, когда происходит постепенная потеря устойчивости деревьев при их хроническом отравлении. Однако, выделенные градации жизненного состояния древостое] различаются не только по величине их повреждения, им присущи I определенные физиологические особенности. Фоновые древостой ш показателям, характеризующим их состояние, практически не отличаются от параметров относительно здоровых древостоев сосны обыкновенной в Красноярском крае и на европейском севере страны (Судач-

'Ев,197?; Физиолого-биохимические основы..,1985; Лесные экосис-мы..,1990; Физиология сосны..,1990). Исключение представляет овень дефолиации - для Предбайкадья он выше.

В градации слабо-среднего угнетения выделены древостой "перечного состояния" (подкластер 2а) между относительно здоровыми юновыми) и устойчивой хронической болезнью (подкластер 26). Из-нения в биохимическом составе хвои деревьев при слабом угнете-;и свидетельствуют, что с появлением определенного уровня змис-юнной нагрузки проявляются и нарушения метаболизма: снижение отношения фракций азота, уровня марганца, кислоторастворимого панического фосфора,■ в некоторой степени - растворимых углево-©. В дальнейшем эти сдвиги при сравнительно небольшом повышении «скческой нагрузки в большинстве случаев усиливаются, что ука-¡вает на снижение адаптационных возможностей и переход в состоя-:е устойчивой хронической болезни (подкластер 26).

В градации средне-сильного угнетения также выделяются древос-« разного физиологического состояния. Табл.1 показывает, что врастание степени токсической нагрузки приводит к усилению деп-ссии ростовых процессов - в подкластере За соотношение фракций ота понижается в среднем до 2,58, а уровень дефолиации возрас-1вт до 53,2%, вместе с тем, такие показатели, как содержание орфического кислоторастворимого фосфора, крахмала, Сахаров, оста-ся, по-существу, на прежнем уровне. В подобной ситуации расти-льный организм в определенной мере еще располагает защитными ханизмами, препятствующими полному преобладанию деструктивных оцессов. И поскольку древостой, объединившиеся в следующий -дкласгер 36 - этого же кластера, уже показывают резкое подавле-:е ростовых процессов и защитных механизмов, т.е. необратимое лабление и начало усыхания, мы отнесли предшествующие этому стоянию древостой (подкластер За) к хронически больным крити-ского состояния.

Последняя из выделенных градаций - распадающиеся древостой шастер 4). Здесь резко прогрессирует усыхание деревьев, уровень : дефолиации составляет в среднем 70X, ростовые процессы и задние механизмы подавлены. Такие древостой практически нежизнес-собны. Изложенные физиологические отличия древостоев разных едаций угнетения в обобщенном виде представлены в табл.2.

Таблица 2

Физиологические отличия древостоев разных градаций угнетена

Кластер 1 - Фоновые (относительно здоровые) Кластер 2:

подкластер 2а - Слабое угнетете - "переходное состояние"

между фоновым и устойчивой хронической болезш (появление достоверных нарушений метаболизма) подкластер 26 - Среднее угнетете - устойчивая хроническая

болезнь (снижение адаптационных возможностей, депрессия ростовых процессов прогрессирует)

Кластер 3:

подкластер За - Средне-сильное угнетете - хроническая болезш критического периода (защитные механизмы находятся на грани подавления) подкластер 36 - Сильное угнетение - состояние необратимого

ослабления с началом усыхания (резкое подавле} ростовых процессов и защитных механизмов)

Кластер 4 - Усыхавие и распад древостоя - нежизнеспособное с полным преобладанием деструктивных процессов

Поскольку дендрограмма сходства пробных площадей по состоянии древостоев выявляет уровни их попарного сходства, возможно провести отбор наиболее адекватных ПП для включения в систему мониторинга лесов. Например, ПП N1 и N25 объединились на очень высоком уровне сходства - 99,71. В натуре обе ПП показывают сильное угнетение древостоев, одинаковый уровень дефолиации, т.е. практически идентичное состояние, поэтому при последующем мониторинге возможно рассмотрение только одной из этих пробных площадей. Подобный отбор, с учетом сходства состояния древостоев в натуре и ПП на дендрограмме, произведен по всем подкластерам и кластерам, а выделенные ПП рекомендованы для мониторинга лесов обследованной территории.

Глава 9. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ПОКАЗАТЕЛЕЙ МОНИТОРИНГА ДЛЯ ОЦЕНКИ СОСТОЯНИЯ СОСНОВЫХ ЛЕСОВ В РАЙОНЕ БАЙКАЛЬСКОГО ЦЕЛЛЮЛОЗНО-БУМАЖНОГО КОМБИНАТА И БРАТСКОГО ПРОМУЗЛА

При ознакомлении с проблемой ослабления лесов на южном и о-восточном побережье озера Байкал обращает на себя внимание то стоятельство, что наряду с достаточно хорошей изученностью си-ации, касающейся темнохвойных насаждений, данные о состоянии сновых древостоев на этой, наиболее загрязненной, части побе-жья практически отсутствуют. Нами проведена оценка состояния сны обыкновенной, произрастающей в районе действия выбросов йкаяьского целлюлозно-бумажного комбината (ВЦБК): в 5, 30, 50 и О км от завода. Территория обследования охватывала береговую лосу от г.Байкальска до ст.Мишиха. Результаты свидетельствуют, о в этом районе преобладают сосняки II-III классов возраста, димых симптомов поражения хвои и побегов промышленными эмиссия-сосна не имеет, тем не менее, эти древостой не могут считаться оровыми. Дефолиация деревьев составляет 30-50%, уровни токси-нтов в хвое несколько повышены вблизи завода, по мере удаления и снижаются и на расстоянии 100 км достигают фоновых для Пред-йкалья. В содержании марганца, калия, кальция и отчасти крахма-прослеживается тенденция к сокращению их количества в хвое сны вблизи, ВЦБК, по остальным параметрам - концентрации магния растворимых Сахаров - подобных изменений не отмечается. Пони-нный уровень основного из выделенных нами показателей состояния рева - соотношения белковой и небелковой фракции азота - свиде-льствует (наряду с параметрами дефолиации), что все обследован-е сосновые насаждения на южном побережье оз.Байкал ослаблены.

удалении до 50 км от БЦБК они относятся к средней степени уг-тения, которая характеризуется проявлением устойчивой хроничес-й болезни, а на расстоянии 100 км - к слабой, физиологически -о "переходное состояние" между фоновым и устойчивой хронической лезнью (см.рис.6).

Явно выраженное ослабление сосновых лесов на береговой полосе и эмиссионной нагрузке меньшей, чем на склонах хр.Хамар-Дабан местах наибольшей локализации выбросов) обусловлено, на наш гляд, тем обстоятельством,что сосновые насаждения испытывают эсь дополнительное негативное воздействие в виде широко расп-

роетраненных фитопатогенных инфекций. Данные по биохимической и дикации хорошо согласуются с результатами фитопатологическо: контроля, выявившего изменения в составе и активности патогенш грибов (Михайлова, Морозова, Бережная, 1995). Наибольший вр* приносят очаги раковых заболеваний: выраженная вредоносность гр] бов регистрируется в ослабленных сосняках до 30-50 км от завод; На удалении 100 км от ВЦБК фитопатогенный эффект в сосняках ниж< хотя и не устраняется полностью. Наличие средней степени угнет< ния сосновых древостоев на большей части южного и юго-восточно] побережья оз.Байкал, обусловленное синергизмом антропогенных природных факторов, свидетельствует о стойком нарушении зколоп ческого равновесия в этом районе. Анализ сложившейся ситуащ позволяет сделать предположение, что при неизменной (или возрас тающей) техногенной нагрузке существует возможность слияния те£ риториальных границ ослабленных лесов Предбайкалья и южного побг режья оз.Байкал.

Энергопромышленный комплекс г.Братска - один из крупнейш индустриальных центров на востоке страны. Среди многих его предг. риятий (более 40 в черте города), загрязняющих окружающую сред> главными являются алюминиевый завод, лесопромышленный комплекс источники теплоэнергетики. Зона загрязнения вокруг города занимг ет очень большую территорию. Степень концентрации токсически выбросов недопустимо высока. В составе загрязнителей присутствуй серосодержащие и фтористые соединения, хлор, окислы азота, окис углерода, углеводороды, аэрозоли металлов и другие токсиканты.

Бри первых обследованиях лесов в этом районе главное внимани уделялось фитотоксическому воздействию фторидов как самых агрес сивных загрязнителей (Михайлова, 1977; 1979; 1983; Рожков, Михай лова, 1986; 1988; 1989). Затем было начато комплексное изучени влияния на леса этого района и других токсикантов (Михайлова, Ан циферова, 1991; Михайлова, 1992; Rozhkov, Mikhailova, 1993). Обе ледовались древостой сосны обыкновенной - основной лесообразующе породы - на разном удалении от основного источника фторэмиссии БрАЗа - и на разных по рельефу участках, определяющих концентра цию фтора в атмосфере и его накопление в растительных тканях.

По результатам токсикологических анализов (концентрации фто ридов в хвое) и визуальных обследований состояния сосняков н пробных площадях нами составлена карта-схема повреждения лесов окрестностях Братского алюминиевого завода (рис.7). При этом вы

Рис.7. Карта-схема повреждения лесов в окрестностях г.Братска (составлена по результатам токсикологических анализов и визуальных обследований состояния сосновых лесов)

Градации ослабленных древостоев: ЁЗ усыхающие

12} средне-сильного угнетения ЁЗ слабого угнетения •1, -2, »3, ... - пробные площади

делено три основных градации ослабленных древостоев: усыхающи средне-сильного угнетения и слабого повреждения. Усыхающие др востои чаще всего обнаруживают предельно высокое накопление то сикантов в хвое; визуально - это почти полностью обесхвоенн сосняки, имеющие не более 10% жизнеспособной хвои. Средне-силь угнетенные древостой не всегда показывают высокий уровень загря нителей в тканях хвои, в этом случае повреждение развивается счет кумулятивного влияния эмиссий. Деревья обнаруживают ярко в: раженные визуальные повреждения - некрозы ассимиляционных орг. нов, недоразвитие и гибель части побегов, часта суховершинносгь другие признаки угнетения; жизнеспособная хвоя в кроне составляв от 10 до 40%. Древостой слабого угнетения обнаруживают урове: дефолиации, приближающийся к фоновому, визуальные признаки по: реждения отсутствуют, однако в хвое выявляется повышенная ш центрация токсикантов и некоторая разбалансированносгь элемента го состава. Возможно, в последние пять-шесть лет конфигурация з< ны поврежденных аэропромвыбросами лесов изменилась, тем не мене! приведенная карта-схема может служить основой для последующе] картирования этой территории, поскольку она построена по факт] ческим данным.

Повышенную загрязненность воздуха в районе г.Братска следу! рассматривать как долговременно действующий фактор. Поэтому ближайшие годы не ожидается существенного замедления процесса а лабления и усыхания лесов. По ориентировочному прогнозу, при со; раняющемся уровне загрязнения к 2000г. возможна гибель древосго! на площади свыше 150тыс.га (Рожков, Плешанов, Массель, Михайлов; 1989).

ОБЩЕ ВЫВОДЫ

1. Среди загрязнителей природной среды Предбайкалья для рас тений наиболее опасны кислотогенные газы (фтористый водоро; хлор, двуокись серы), соединения ртути, аэрозоли тяжелых мета: лов, некоторые органические соединения. Самой высокой фитотоксет ностью обладает фтористый водород, его отравляющее действие I хвойные деревья в 3-3000 раз выше действия других кислых газов, в смеси с ними он выступает либо доминирующим токсикантом, ли( провоцирует резко выраженный синергический эффект.

Z. Хвойным присущ видовые, индивидуальные, возрастные, се-знные изменения газоустойчивости. Устойчивость хвойных к токси-антам, выраженная в баллах по выживаемости, на порядок ниже ре-ктентности относительно газостойких видов лиственных деревьев и гетарников. Среди самих хвойных наиболее газоустойчива листвен-ща даурская, далее снижение газостойкости происходит в следуют порядке: лиственница сибирская, можжевельник обыкновенный, № сибирская, сосна обыкновенная, кедр сибирский, пихта сибирс-ая. Индивидуальные различия повреждаемости хвойных деревьев зна-етельны, причем, в большей степени они проявляются при продолжи-гльном действии низких концентраций. Наибольшие возрастные отлита в кумуляции токсиканта (фтора) выявляются в тканях ствола и эрней, а уровень его накопления в хвое не зависит от возраста ?рева, но резко повышается с возрастом самой хвои. Показатели эзонной динамики содержания токсикантов (фтора и серы) в среднем а крону максимальны в зимний период, в это же время фиксируется наибольшая степень поражения крон деревьев, а максимальный уро-знь дефолиации - весной.

3. Показано многообразие путей поступления газообразных ток-акантов в растительный организм. Наряду с основным из них - че-53 хвою - возможно проникновение загрязнителей через кутикулу злодых побегов, кору ствола и ветвей, а также через эпиблему и эру корня. Последующий активный перенос токсикантов внутри орга-4зма обусловливает, в конечном итоге, сходную картину поражения, ^отношение количества токсиканта (фтора), накапливающегося в жи-лх тканях, достаточно устойчиво. Наибольшая концентрация фтора у :ех хвойных наблюдается в тканях хвои, несколько ниже она в лубе

наименьшая в заболони и тканях корня. В таком же порядке эти сани располагаются и по интенсивности оттока из них токсиканта.

4. Наиболее уязвимы для газообразных токсикантов клетки мезо-«ша и проводящей системы хвои. При поступлении газов через хвою m в первую очередь подвергаются деформации и разрушению, что эиводит к уменьшению толщины хлорофиллоносной ткани и диаметра эоводящего цилиндра. Процесс поражения сопровождается высоким зовнем накопления токсиканта в этих тканях.

5. Несмотря на высокую чувствительность хвойных к токсикан-ам, они обладают определенными средствами детоксикации загрязни-злей. Механизмы сопротивления дерева отравляющему воздействию

загрязнителей включают: физиолого-биохимические реакции, препят твующие усилению окислительных процессов в клетках (активирован детоксирующего фермента пероксидазы, использование водорода а корбиновой кислоты на восстановительные процессы, снижение соде жания органических кислот, повышение концентрации свободных кат: онов); изолирование в нефункционирующих частях ксилемы и флоэ; ствола; выведение во внешнюю среду (через корни и хвою).

б- В реакции видов хвойных на воздействие токсикантов (пок зано на примере фтора) наряду с общими чертами есть и специфиче! кие. У лиственницы скрытый период повреждения относительно Henpi должителен, динамичное развитие физиолого-биохимических нарушен: приводит к быстрому их визуальному проявлению. Однако период yci хания дерева с момента появления необратимого ослабления дост, точно продолжителен и может затягиваться на несколько лет. Cbi еобразие реакции ели на воздействие токсиканта заключается в та что у этой породы даже при высоком его накоплении в тканях хв< визуально повреждения долгое время не проявляются, не наблюдает« значительного усиления окислительных процессов, остаются высоки уровни аскорбата и пигментов. После появления видимых признак! повреждения следует относительно быстрое развитие необратимо: ослабления и усыхания дерева. У сосны воздействие' токсикантов ч; ще всего приводит первоначально к активации физиологических пр< цессов, которая в последующем сменяется глубокой их депрессие] Степень визуального поражения у этой породы, как правило, соо' ветствует ее физиологическому ослаблению.

?. Поражающий эффект токсикантов опасен продолжительным по< ледействием - визуальные признаки повреждения (особенно у пород многолетней хвоей) и повышенное содержание загрязнителей в ткан: дерева могут сохраняться в течение нескольких лет после окончат фумигации. Этим в значительной мере обусловлена инерционное состояния лесной экосистемы в целом в течение определенного вре! ни после снятия стрессовой нагрузки.

8. Разработаны критерии и принципы определения предельно Д( пустимых концентраций токсикантов для древесных растений. Уст. новлена ПДК фтора в воздухе для хвойных деревьев: для долговр! менного периода воздействия - 0,5 мкг/м3 , для кратковременно: периода - 4 мкг/м3; ПДК фтора в хвое лиственницы - 4 мг%, сосны ели - 6 мг% от массы сухого вещества.

9. Выделено четыре типа повреждений растений токсикантами, сличающихся по характеру и глубине расстройства метаболизма: :трое, капельно-ожоговое, хроническое и скрытое. Первоначально )явившееся в Предбайкаяье острое повреждение и усыхание древос-)ев вблизи крупных токсичных источников загрязнения к настоящему )емени относительно стабилизировалось. Основным типом ослабления ;сов в регионе стало хроническое, или кумулятивное, приводящее к степенной потере устойчивости деревьев при их отравлении субле-иьными концентрациями многокомпонентных промышленных эмиссий.

10. Разработан подход к диагностированию состояния хвойных ?сов, подвергающихся воздействию аэропромвыбросов. При этом гра-щия жизненного (физиологического) состояния древостоэв осуществ-гется на основе репрезентативных показателей, отражающих основные ¡габолические процессы и обнаруживающих корреляционную связь с >иоритетным негативным фактором (загрязнением). Показана прием->мость использования в качестве таких показателей соотношения ;лковой фракции азота к небелковой в хвое и процента дефолиации юны дерева.

11. Процесс угнетения древостоев при хронической кумуляции жсикантов проходит несколько градаций: I- слабое угнетение, или ¡ереходное состояние" между фоновым и устойчивой хронической боязнью (физиологически оно проявляется в появлении достоверных рушений метаболизма); П-среднее угнетение, или устойчивая хро-гаеская болезнь (физиологически проявляется в снижении адаптаци-!ных возможностей, прогрессировании депрессии ростовых процес-)в); Ш-средне-сильное угнетение, или хроническая болезнь кри-гаеского периода (защитные механизмы находятся на грани подавле-!я)'; 1У-сильное угнетение, или состояние необратимого ослабления началом усыхания (резкое подавление ростовых процессов и защит-к механизмов); V- прогрессирующее усыхание и распад древостоя ежизнеспособность с полным преобладанием деструктивных процес-в).

12. Среди факторов, усиливающих негативное воздействие токси-ских эмиссий, наиболее существенное значение имеют пожары, за-хи, заморозки, грибные заболевания, нападение насекомых-вреди-лей. В лесах, ослабленных аэропромвыбросами, отмечается сокра-ние видового разнообразия микоризообразователей, в первую оче-дь, симбиотрофов сосны; обнаруживается широкое распространение

фитопатогенных инфекций, вызывающих раковые заболевания и стволс вые гнили. Насекомые не играют решающей роли в гибели хвойных ле сов, загрязняемых промышленными выбросами, они могут лишь ускорь процесс усыхания необратимо ослабленных деревьев, утративших ант моустойчивость вследствие резкого снижения содержания смолисть веществ.

13. Эколого-физиологическое состояние лесов региона впервь отражено картографически. Составленная карта-схема может быть ис пользована и для прогнозирования трансформации лесных экосистек При сохраняющемся уровне антропогенной нагрузки усиление пораже ния древостоев будет происходить по следующим направлениям: севе ро-западному, по долине реки Ангары; северо-восточному, па доли нам рек' Куда, Балей; юго-западному, по долинам рек Олха, Мркут юго-Еосточному, вдоль правого берега Иркутского водохранилища, районе г.Братска также не ожидается замедления темпов техногеннс го ослабления лесов, при этом существует опасность распростране ния поражения в северном, южном и юго-западном направлениях с города. На южном побережье озера Байкал даже при неизменной змис сионной нагрузке возможно распространение зоны угнетения сосновы насаждений в западном направлении и слияние ее с ослабленными ле сами Предбайкалья в среднем течении реки Иркут.

14. Разработаны рекомендации по проведению периодического мо ниторинга на репрезентативных пробных площадях с целью долгосроч ного прогнозирования состояния лесов региона.

Список основных работ, опубликованных по теме диссертации

1. Михайлова Т.А. О накоплении фтора в листьях древесных растений вблизи алюминиевых заводов // Оперативные информационны материалы.- Иркутск: СЖФЙБР СО АН СССР.- 1977.- С.15.

2. Михайлова Т.А. К вопросу о накоплении фтора в тканях хвой ных деревьев // Оперативные информационные материалы.- Иркутск СИФИБР СО АН СССР. - 1979.- С.29-30.

3. Рожков A.C., Массель Г.И., Михайлова Т.А. Влияние промыш ленных выбросов фтора на содержание смолистых веществ в тканя хвойных деревьев // Там же. - 1979. - С.30-32.

4. Рожков A.C., Михайлова Т.А. Изучение влияния фтористог водорода на хвойные растения в эксперименте // Газоустойчивост

астений. - Новосибирск:Наука. Сиб.отд-ние, 1980. - С.166-167.

5. Массель Г.И., Михайлова Т.Д. Содержание смолистых веществ тканях хвойных пород в условиях загазованности воздуха фтором

' Там же,- 1980.- С.167-168.

6. Рожков A.C., Михайлова Т.А. Влияние фтористого водорода на зойные растения в различные периоды вегетации // Оперативные ин-зрмационные материалы,- Иркутск: СИФИБР СО АН СССР. - 1981.-.32-34.

7. Михайлова Т.А.', Рожков A.C. Влияние фтористого водорода на лзиолого-биохимические процессы у хвойных // Проблемы физиологии

биохимии древесных растений. - Красноярск: ИЛиД СО АН СССР. 1982,- С.105.

8. Михайлова Т.А. Популяция лиственницы даурской, проявляющая зтойчивые свойства к фтористому водороду // Проблемы экологии оибайкатья. - Иркутск: Иркутск.гос.ун-т. - 1982.- С.41-42.

9. Михайлова Т.А. Использование полевых пленочных камер для зучения действия фтора на хвойные деревья // Вклад молодых био-эгов Сибири в решение вопросов Продовольственной программы и ох-зны окружающей среды. - Улан-Удз:Ин-т биологии Вур.филиал СО АН ХР. - 1984,- С. 39-40.

10. Михайлова Т.к., Массель Г.И., Анисимова O.A. Некоторые юхимические аспекты регуляции энтомоустойчивости древостоев // энеттеские и биохимические механизмы регуляции и функционировали живых систем,- Иркутск: Изд-во Иркутского гос. ун-та, 1984.-,134-142.

11. Михайлова Т.А. Физиолого-биохимические изменения у хвой-з!Х растений, вызываемые воздействием фтористого водорода // Изв. яб. отд-ния АН СССР, сер.биол.наук,- 1984.- Вып.З.- С.74-80.

12. Рожков A.C., Михайлова Т.А. Динамика накопления фтора в <анях хвойных деревьев, подвергающихся фторзмиссии алюминиевых аводов // Экологическая роль горных лесов. - Бабушкин: Изд-во 1йД СО АН СССР, 1986. - С.160-162.

13. Михайлова Т.А. Влияние фтористых соединений на хвойные эревья: Автореф. дисс. ...канд. биол. наук.- Иркутск, 1985.- 22с.

14. Рожков A.C., Михайлова Т.А. Пути восстановления леса в знах действия выбросов алюминиевых заводов // Проблемы и пути эдионального использования природных ресурсов и охрана природы.-мьнюс: Вильнюсский гос.ун-т.- 1986. -С.139-140.

15. Рожков А.С., Михайлова Т.Д. Определение индивидуально устойчивости хвойных к действию фтора // Оперативные информацион ные материалы.- Иркутск: СИФИВР СО АН СССР. - 1987.- С.22-24.

16. Михайлова Т.Д., Воронин В.И. Оценка сезонного поврежден« хвойных пород поллютаятами // Лесоведение. - 1988.-N1.- С.67-69.

17. Предельно допустимые концентрации фтора для хвойных растений (Разработаны А.С.Рожковым и Г.А.Михайловой). - Иркутск: СИ ФИБР СО АН СССР, 1988. - 20с.

18. Рожков А.С., Михайлова Т.А. Динамика зон загрязнения ат мссферы алюминиевыми заводами // Проблемы охраны атмосферног воздуха в бассейне Байкала. - Иркутск: НТО, 1988. - С.29-30.

19. Михайлова Т.А., Морозова Т.И. Подбор древесных и кустар никовых растений, пригодных для посадок в зонах действия фторис тых эмиссий // Лесопатологические исследования в Прибайкалье. Иркутск: СИФИВР СО АН СССР, 1989.- С.34-38.

20. Михайлова Т.Д. Транслокация фторидов в растении // Проб лемы физиологии и биохимии древесных растений. - Петрозаводск Ин-т леса Карельск. филиала АН СССР.- 1989.- С.229-231.

21. Рожков А..С., Михайлова Т.Д. Действие фторсодержащих эмиссий на хвойные деревья. - Новосибирск: Наука. Сиб. отд-ние 1989. - 159с.

22. Рожков А.С., Плешанов А.С., Массель Г.И., Михайлова Т.А Влияние природных и антропогенных факторов на хвойные леса Сибир: /V Изв. Сиб. стд-ния АН СССР. Сер. бйол. науки.- 1989.- Вып.I.-С.136-139.

23. Михайлова Т.Д. Воздействие фторидов на метаболизм хвойны: // Экологическая физиология хвойных. - Красноярск: ИШРО, ИЛиД О АН СССР, Госкомлеса, Красноярский гос.ун-т.- 1991,- С.91-92.

24. Михайлова Т.А., Анциферова Л.В. Изменение элементного состаза хвои сосны обыкновенной при воздействии промышленны; эмиссий // Проблемы экологии лесов Прибайкалья.- Иркутск: СИФИН СО ан СССР, 1991. - С.80-93.

25. Михайлова Т.Д. Биохимическая индикация воздействия про-мьыяленных эмиссий на хвойные леса // Анатомия, физиология и экология лесных растений. - Петрозаводск: Ин-т леса Карельск. филиа РАН, 1992. - С.118-120.

26. Rozhkov A.S.. Mikhailova Т.Д. The Effect of Fluorine-Containing' Emissions on Conifers - Berlin Heidelberg: Springer-Ver] eg, 1993.- l43p.

27. Воронин В.И., Михайлова Т.А., Щербатюк A.C. Состояние (игородных лесов городов Иркутска и Шелехова // Международная шференция по экологии Сибири / Тез.докл.- Иркутск:Иркут.полижи. ин-т,- 1993.- С.64-65.

28. Михайлова Т.А., Воронин В.И., Плешанов A.C. Состояние дагородных лесов Южного Прибайкалья // Байкал - природная лабо-стория для исследования окружающей среды и климата./ Тез. докл. эд. совещ., Т.7. "Ландшафты и биота байкальского региона". Ир--тск, 11-17 мая 1994г. - Иркутск: Изд-во "ЛИСНА",1994.- С.32-33.

29. Михайлова Т.А., Кочмарская Н.С., Анциферова Л.В., Плеша-)в A.C. Воздействие промышленных эмиссий на хвойные леса Приан-1рья // Оценка состояния водных и наземных экологических систем: »логические проблемы Прибайкалья. - Новосибирск: ВО "Наука", ¡бирская издательская фирма,- 1994. - С.127-131.

30. Морозова Т.И., Михайлова Т.Д., Кочмарская Н.С., Анцифе-)ва Л.В. Состояние пригородных лесов южного Прибайкалья // Проб-'мы лесной фитопатологии и микологии.- М., 1994. - С.45-47.

31. Михайлова Г.А., Бережных Е.Д. Анатомические изменения саней хвои при воздействии фтористого водорода // Лесоведение.-195.- N1.- С.84-88.

32. Михайлова Т.А., Петров А.Н., Бережная Н.С., Анциферова Л.В. {енка современного состояния зеленой зоны города Иркутска // гология и охрана окружающей среды.- Пермь, 1995.- С.38-39.

33. Михайлова Т.А., Морозова Т.И., Бережная Н.С. Состояние эевостоев сосны обыкновенной на южном побережье Байкала // Проб-;мы экологии. Т.1.- Новосибирск: ВО "Наука". Сибирская издатель-гая фирма. - 1995. - С.212-214.

34. Михайлова Т.А., Бережная Н.С., Анциферова Л.В. Состояние юйных лесов Иркутско-Черемховской промышленной зоны // Зкологи-;ски чистые технологические процессы в решении проблем охраны фужающей среды / Мат-лы межд. конф. - Иркутск:Ирк.гос.техн.ун-т, )96. - Т.2. - С.261-262.

35. Плешанов A.C., Михайлова Т.А. Использование кластерного 1ализа для картографирования загрязнения растительности атмос-фными выбросами промышленных комплексов / Деп. в ВИНИТИ 3.08.1996, N 2643-В96.- Иркутск:СИФИВР СО РАН, 1996,- 11с.

36. Михайлова Т.А. Эколого-физиологические исследования сос-

тояния лесов, загрязняемых промышленными эмиссиями // Влияние а мосферного загрязнения и других антропогенных и природных факт« ров на дестабилизацию состояния лесов Центральной и Восточной Ei ропы. Т.1.- М.:Моск. гос.ун-т леса, 1996.- С.67-69.

37. Petrov A.N., Mikhailova Т.A. Possible mechanisms of flu< ride accumulation in fungal machromycetes / Abstracts Ann. Sympc sium "Physical-chemical basis of plant physiology", 5-8 February 1996, Penza.- Pushchino: Society of Plant Physiologists. 1996.-P.141.

Отпечатано в Глазковской типографии Заказ № 393. Тираж 100 экз.

Информация о работе

Михайлова, Татьяна Алексеевна
доктора биологических наук
Иркутск, 1997
ВАК 03.00.16

Автореферат

Похожие работы

Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему Эколого-физиологическое состояние лесов, загрязняемых промышленными эмиссиями ВАК РФ 03.00.16, Экология

Автореферат диссертации по теме "Эколого-физиологическое состояние лесов, загрязняемых промышленными эмиссиями"

Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему
Эколого-физиологическое состояние лесов, загрязняемых промышленными эмиссиями
ВАК РФ 03.00.16, Экология