Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Модели и методика биоиндикационной оценки геоэкологического состояния атмосферы техногенно нарушенных территорий

ВАК РФ 25.00.36, Геоэкология

Автореферат диссертации по теме "Модели и методика биоиндикационной оценки геоэкологического состояния атмосферы техногенно нарушенных территорий"

Козинцев Сергей Николаевич

МОДЕЛИ И МЕТОДИКА БИОИНДИКАЦИОННОИ ОЦЕНКИ ГЕОЭКОЛОГИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ АТМОСФЕРЫ ТЕХНОГЕННО НАРУШЕННЫХ ТЕРРИТОРИЙ

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата географических наук по специальности 25.00.36 - Геоэкология (Науки о Земле)

О050590иь 1 : : т

Воронеж 2013

005059006

Работа выполнена в Военном учебно-научном центре Военно-воздушных сил «Военно-воздушная академия имени профессора Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина»

(г. Воронеж)

Научный руководитель доктор физико-математических наук,

профессор Базарский Олег Владимирович

Официальные оппоненты доктор географических наук, профессор

Петин Александр Николаевич -декан геолого-географического факультета ФГАОУ ВПО «Белгородский государственный национальный исследовательский университет»

доктор биологических наук, профессор Козлов Александр Тимофеевич -заведующий кафедрой экологии и безопасности жизнедеятельности ФГКВОУ ВПО ВУНЦ ВВС «Военно-воздушная академия имени профессора Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина» (г. Воронеж)

Ведущая организация ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный

университет»

Защита состоится «28» мая 2013 г. в 15 часов на заседании диссертационного совета Д 215.007.01 при ВУНЦ ВВС «Военно-воздушная академия имени профессора Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина» (г. Воронеж) по адресу: 394064, г. Воронеж, ул. Старых большевиков, д. 54-а, аудитория 621.

С диссертацией можно ознакомиться в учебной библиотеке ВУНЦ ВВС «Военно-воздушная академия имени профессора Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина» (г. Воронеж), на официальном сайте ВАК (1шр//\у\у\у. vak.ed.gov.ru).

Закусилов В.П.

Автореферат разослан «22» апреля 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Оценка загрязнения окружающей среды и ее влияние на жизнедеятельность биоты является актуальной темой в условиях возрастающей техногенной нагрузки. Изучение загрязнения окружающей среды осуществляется в основном инструментальными методами, обладающими следующими недостатками:

- вследствие высокой динамики рассеивания и вымывания загрязняющих веществ (ЗВ) из атмосферы мониторинг может осуществляться только с использованием широкой сети стационарных постов наблюдения. На обширных географических территориях создание такой сети требует больших технико-экономических затрат;

- инструментальные методы контроля позволяют измерить концентрации ограниченного числа ЗВ, интегральное влияние которых на биоту с учетом их взаимодействия не учитывается особенно на обширных географических территориях, где реализуется разнообразное комплексное взаимодействие биологических, метеорологических и антропогенных факторов.

Указанных недостатков лишена биоиндикационная методика интегральной оценки геоэкологического состояния атмосферы, позволяющая сделать вывод о комфортности проживания населения в различных районах техногенно нарушенных территорий.

В развитие методики внесли существенный вклад: Б.Л. Астауров, В.М. Захаров, C.B. Петухов, Н. В. Глотов, А.Т. Козлов, И.И. Косинова, А.И. Федорова, А.И. Зотин, В.И. Борисов.

Преимущества биоиндикационной методики:

- биоиндикаторы, в частности древесные растения, произрастают на техногенно нарушенных территориях с шагом требуемым для квазистационарной оценки геоэкологического состояния атмосферы;

- отклик биоиндикаторов интегральный, определяемый воздействием всех ЗВ за время от начала вегетации до момента отбора проб;

- выращивание биоиндикаторов требует незначительных финансовых затрат, они не требуют обслуживания и могут использоваться в течение многих лет;

- указанные особенности биоиндикаторов определяют низкую стоимость биоиндикационных исследований на обширных территориях.

В то же время существующая биоиндикационная методика имеет и ряд существенных недостатков:

- не исследована селективность биоиндикаторов, т.е, вклад в биоиндикационные показатели атмосферных и почвенных (грунтовых) поллютантов;

- не исследовано биологическое старение биоиндикатора в течение биоиндикационного периода;

- не учитывается влияние метеорологических факторов предбиоиндикаци-онного и биоиндикационного периодов;

- не достаточно исследована система «техногенно нарушенная окружающая среда - биоиндикатор», не построена ее модель, вследствие чего сущест-

вующая методика недостаточно обоснована, и невозможно оценить вероятности ошибочной классификации состояния окружающей среды.

При ликвидации указанных недостатков модифицированная биоиндикационная методика может являться более эффективным и низкозатратным инструментом интегральной оценки геоэкологического состояния атмосферы на обширных географических территориях, что и определяет актуальность темы исследования.

Объект исследования - приземная атмосфера техногенно нарушенных территорий.

Предмет исследования - геоэкологическое состояние приземной атмосферы техногенно нарушенных территорий.

Научная задача - построение моделей и модификация методики биоиндикационной оценки геоэкологического состояния приземной атмосферы техногенно нарушенных территорий лесостепной зоны Европейской части России.

Цель исследования - обеспечение интегральной биоиндикационной оценки геоэкологического состояния атмосферы на обширных территориях за счет комплексного учета биологических, метеорологических и антропогенных факторов.

Задачи исследования:

1. Анализ литературных источников по биоиндикационным исследованиям техногенно нарушенных территорий и выбор биоиндикатора.

2. Проведение экспериментальных исследований отклика биоиндикатора на техногенное загрязнение атмосферы.

3. Построение моделей отклика биоиндикатора на геоэкологическое состояние атмосферы.

4. Модификация методики биоиндикационных измерений геоэкологического состояния атмосферы техногенно нарушенных территорий.

Область исследования. Содержание диссертационной работы соответствует паспорту специальности 25.00.36 - Геоэкология (Науки о Земле) по следующим пунктам области исследования:

- 1.8. Природная среда и геоиндикаторы ее изменения;

- 1.12. Геоэкологический мониторинг и обеспечение геоэкологической безопасности, средства контроля;

- 1.14. Моделирование геоэкологических процессов;

- 1.17. Геоэкологическая оценка территорий.

Методы исследования. При решении поставленных задач использовались методы: эколого-географических исследований (сравнительно-географический, картографический, эколого-географических наблюдений); математической статистики; неравновесной термодинамики открытых систем; вычислительной математики; математического моделирования.

Научная новизна диссертационной работы.

1. На основании проведенных экспериментальных исследований биоиндикатора установлены новые отличительные особенности:

- выявлен пороговый уровень загрязнения почвы (грунтов), превышение которого не позволяет считать тополь пирамидальный селективным атмосфер-

ным биоиндикатором;

- установлено, что на биоиндикационные значения в зонах природного и техногенного фона сходно влияет биологическое старение биоиндикатора, что необходимо учитывать при разработке методики биоиндикации;

- выявлено устойчивое в течение всего биоиндикационного периода отличие биоиндикационных данных в зонах природного и техногенного фона, зависящее от уровня загрязнения атмосферы.

2. Построены модели отклика биоиндикатора на геоэкологическое состояние атмосферы, отличающиеся учетом атмосферной техногенной нагрузки, старения биоиндикатора и метеорологических факторов.

3. Модифицирована методика биоиндикационных измерений геоэкологического состояния атмосферы техногенно нарушенных территорий. Отличительные особенности:

- определен коэффициент биологической чувствительности тополя пирамидального к интегральному загрязнению атмосферы;

- построена биоиндикационная геоэкологическая диаграмма отклика биоиндикатора на техногенное загрязнение атмосферы, позволяющая классифицировать уровень ее загрязнения по трем рангам;

- оценены вероятности правильной классификации геоэкологического состояния атмосферы по выбранным экологическим рангам.

Достоверность результатов работы достигнута корректной постановкой задач исследования; большим объемом используемой репрезентативной базы данных; использованием апробированного математического аппарата; согласованностью в частных случаях с результатами, полученными другими авторами.

Фактический материал и информационная база исследования. Диссертационная работа является результатом исследований проведенных в период с 2008 г. по 2011 г. В основу положены результаты полевых наблюдений за популяциями пирамидальных тополей в зоне техногенного фона (г. Воронеж) и в зоне природного фона, вблизи Воронежского государственного природного биосферного заповедника (далее - заповедник).

Кроме того, использованы:

- метеорологические данные и данные о значениях концентраций изучаемых химических веществ в зоне природного фона, предоставленных Воронежским областным центром по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды;

- данные о значениях концентраций изучаемых химических веществ в зоне техногенного фона, предоставленных управлением по охране окружающей среды департамента общественной безопасности администрации городского округа г. Воронеж.

Практическая значимость. Разработанная биоиндикационная методика оценки геоэкологического состояния атмосферы техногенно нарушенных территорий является оперативным и низкозатратным инструментом экологического мониторинга больших географических территорий.

Апробация работы произведена в форме докладов на различных научных конференциях. Годичная сессия Научного совета РАН по проблемам геоэкологии, инженерной геологии и гидрогеологии, (Москва, Президиум РАН, 2008).

«Месторождения природного и техногенного минерального сырья: геология, геохимия, геохимические и геофизические методы поисков, экологическая геология»: Международная конференция, посвященная 90-летию Воронежского государственного университета, (Воронеж, ВГУ, 2008). «Обеспечение экологической безопасности в чрезвычайных ситуациях»: 3-я международная научно-практическая конференция (Воронеж, ВГТУ 2007, 2008). «Экологическая геология: теория, практика и региональные проблемы»: 2-я международная научно-практическая конференция (Воронеж, ВГУ 2011). Научная сессия Воронежского государственного университета, секция экологической геологии (Воронеж, ВГУ, 2008, 2009, 2010).

Защищаемые положения:

1. Обоснование выбора биоиндикатора и оценка его геоэкологической селективности.

2. Результаты экспериментальных исследований отклика биоиндикатора на техногенное загрязнение атмосферы и их анализ.

3. Модели отклика биоиндикатора на геоэкологическое состояние атмосферы

4. Модифицированная методика биоиндикационной оценки геоэкологического состояния атмосферы техногенно нарушенных территорий.

Структура и объем работы: диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованных литературных источников (включающего 124 наименования, в том числе 6 на иностранном языке), четырех приложений. Объем диссертации составляет 137 страниц, включая 57 рисунков, 36 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении приведены актуальность исследования, объект и предмет исследования, научная задача, цель и задачи исследования, приведены методы и научная новизна исследования, указаны защищаемые положения.

В первой главе «Обоснование выбора биоиндикатора и оценка его геоэкологической селективности» на основе анализа литературных данных выбран биоиндикатор, определена методика биоиндикационных исследований, на основе экспериментальных данных оценена геоэкологическая селективность биоиндикатора.

На основании изученных биоиндикационных исследований Н.Е. Булыгина, Г.М. Илькуна, Х.А. Джувеликяна, B.C. Николаевского и др., биоиндикатором геоэкологического состояния атмосферы выбран вид тополь пирамидальный (Populus pyramidalis) по следующим основаниям:

1. Широко распространен на большой части территории РФ, подверженной существенному антропогенному загрязнению атмосферы.

2. Характеризуется чувствительностью флуктуирующей асимметрии листовых пластин к атмосферным поллютантам.

3. Характеризуется возможностью диагностирования загрязнителей атмосферного воздуха в опасных для человека концентрациях.

4. Характеризуется простотой методики отбора проб.

5. Характеризуется возможностью работы с биоиндикатором на обширных географических территориях.

Под флуктуирующей асимметрией понимается отклонение от строгой билатеральной симметрии вследствие стрессирующего воздействия (несовершенства онтогенетических процессов), которое проявляется в незначительных ненаправленных различиях между сторонами билатеральной структуры (в рамках нормы реакции организма). Стрессирующие факторы могут быть как техногенного, так и природного генезиса.

Получаемая на основе изучения флуктуирующей асимметрии листовых пластин интегральная оценка уровня загрязнения атмосферы является ответом на вопрос - какова реакция биоиндикатора на неблагоприятное воз-действие. Изменение симметрии листьев пирамидального тополя проявляется в увеличении различий между значениями площади сторон листовой пластины. Результаты воздействия оцениваются по формуле:

KC„M=(SM/S5), (1)

где Ксим- коэффициент асимметрии листовой пластины, SM - площадь меньшей стороны листа относительно осевой линии, S5 - площадь большей стороны листа относительно осевой линии.

В настоящее время остается открытым вопрос о геоэкологической селективности вида тополь пирамидальный. Из научных работ Л.А. Рязанцевой, A.C. Спаховой известно, что тополь пирамидальный является атмосферным биоиндикатором, однако, его корневая система распространяется до глубины 10 м, и остается не решенным вопрос о том, какие уровни загрязнения почвы (грунтов) начинают вносить приоритетный вклад в биоиндикационный отклик. Были проведены исследования (рисунок 3) на территории нефтебазы ЗАО «Воронеж-терминал» (далее - нефтебаза), где в результате многолетних утечек углеводородов наблюдается загрязнение почвы (грунтов) в зоне аэрации (рисунок 1).

Представленная шкала концентраций соответствует глубинам 10 - 12 м, где наблюдаются максимальные концентрации углеводородов, приуроченные к кровле неоген-четвертичного водоносного горизонта.

К каждому интервалу концентраций углеводородов на поверхности приурочено шесть пирамидальных тополей, с которых на протяжении биоиндикационного периода отбирались листовые пластины и затем производился расчет их Ксим

Изменение коэффициента асимметрии листьев с увеличением концентрации нефтепродуктов в почве (фунте) в районе нефтебазы представлены на рисунке 2.

Из его анализа следует, что Ксим листовых пластин линейно уменьшается с увеличением концентраций углеводородов в воде и почве (грунте), представленные биоиндикационной прямой (1).

Шкала концентрации нефтепродуктов мг/дм3

Рис. 1. Картосхема распределения концентрации нефтепродуктов в зоне аэрации

районе нефтебазы

Условные обозначения

^Г"^ Изолинии N )

. ■ концентрации нефтепродуктов

№1 о Точки отбора проб с деревьев

По данным геомониторинга, усредненная по ряду шурфов концентрация углеводородов в воде, равная 0,1 мг/дм3, соответствует концентрации углеводородов в грунтах зоны аэрации равной 300 мг/кг. С учетом данных Г.С. Фомина эту величину можно принять за ориентировочно допустимую концентрацию (ОДК).

Для определения геоэкологической селективности биоиндикатора на графике отложен пороговый уровень, отражающий усредненное значение Ксим для биоиндикаторов, расположенных в районе нефтебазы с концентрацией нефтепродуктов в почве (грунте) не превышающих ОДК. Этот уровень, позволяет разделить влияние атмосферы и почвы на отклик биоиндикатора.

Разделительный порог (пунктирная вертикальная прямая) соответствует 20 ОДК нефтепродуктов в почве (грунте). При меньших концентрациях биоиндикационная прямая лежит выше уровня техногенного фона, что свидетельствует о преимущественном вкладе атмосферных поллютантов. При больших концентрациях необходимо учитывать вклад почвенных (грунтовых) загрязнителей. Уровни загрязнения почвы большие 20 ОДК являются достаточно редкими, что позволяет рассматривать тополь пирамидальный как атмосферный биоиндикатор.

0,94 0,92 0,9 0,88 0.86

0,1 1 10 100 >100 С.1.1Г/Д1.13

Рис. 2. Изменение коэффициента асимметрии листьев с увеличением концентрации нефтепродуктов в почве (грунте) в районе нефтебазы

Во второй главе «Результаты экспериментальных исследований отклика биоиндикатора на техногенное загрязнение атмосферы и их анализ»

изучена флуктуирующая асимметрия листовых пластин в зонах природного и техногенного фона.

Ежегодно за период исследования отбиралось 1500 листовых пластин. Отбор проб производился с мая по сентябрь, когда развитие листьев позволяет рассчитать Ксим. (биоиндикационный период). Листья отбирались в двух зонах (рисунок 3): в зоне природного фона -вблизи заповедника; в зоне техногенного фона по периметру улиц с интенсивным движением автотранспорта. В каждой экспериментальной зоне исследовалась популяция из 30 пирамидальных тополей. С каждого дерева в конце месяца отбиралось по пять листовых пластин. Четыре по сторонам света, пятая Рис. 3. Географическое расположение из центра кроны.

экспериментальных площадок Изображения лис-

товых пластин оцифровывались и программно обрабатывались. Результаты статистической обработки данных за два наиболее контрастных года, характеризующихся минимальным стрессовым воздействием метеофакторов на биоиндикаторы в 2008 г. и максимальным в 2010 г., представлены в работе.

Экспериментальные данные аппроксимированы биоиндикационными прямыми (рисунки 4, 5). Анализ представленных данных позволяет сделать следующие выводы.

1. Наблюдаются незначительные флуктуации Ксим относительно биоиндикационных прямых.

2. Наблюдается устойчивый по годам исследования сдвиг на 0,04 значений К(.им в зоне техногенного фона относительно значений КсИМ в зоне природного фона.

Для дальнейшего анализа динамика хода биоиндикационных прямых за 2008 и 2010 годы отображена на одном графике (рисунок 6), анализ которого позволяет сделать дополнительные выводы.

Экспериментальная /—> ОСН площадка "Зона { ^/-У техногенного фона" - п«—О

Испанка .

Экспериментальная Кросмо/4сны* площадка "Зона природного фона"

Возгорание лесного массива на территории Кожевенного кордона

\ Экспериментальная площадка

нефтебаза ЗАО "Воронежтерминал"

■лай июнь июль август сентябрь

&—природный фон 2008г. ■—техногенный фон 2008г.

■О—биоиндикационная прямая природный фон 2008г. о—биоиндикационная прямая техногенный фон 2008г.

Рис. 4. Биоиндикационные прямые для зон природного и техногенного фона в 2008 г.

май июнь июль август сентябрь

- ■ д.— природный фон 2010г.

- ■ ■— техногенный фон 2010г.

—0— биоиндикационная прямая природный фон 2010г. —0—биоинликационная прямая техногенный фон 2010г. _

Рис. 5. Биоиндикационные прямые для зон природного и техногенного фона в 2010 г.

I • К С И.!.'.

июнь «вль август сентябрь

—биоиндикационная прямая природный фон 2008г. -биоиндикационная прямая техногенный фон 2008Г

■ биоиндикационная прямая природный фон 2010г.

■ биоинликашонная прямая техногенный фон 2010г.

Рис. б. Динамика хода биоиндикационных прямых в 2008 и 2010 гг.

3. Наблюдается уменьшение Ксим. в течение биоиндикационного периода, с различной годовой динамикой этого процесса, что подтверждается различными углами наклона биоиндикационных прямых.

4. Начальные значения Кем в мае (в начале биоиндикационного периода) различаются по годам и зонам исследования, но сдвиг за счет техногенного воздействия остается постоянным.

5. Биоиндикационные прямые в конце биоиндикационного периода стремятся к стационарному значению, соответствующему началу опада листовых пластин. Для природного фона соответствующий уровень Ксим. = 0,93, для техногенного 0,89. Необходимо отметить, что статистически достоверная зависимость значений Ксим от расположения листьев по сторонам света для тополя пирамидального не обнаружена.

Для объяснения генезиса флуктуации Ксим относительно биоиндикационных прямых была проанализирована возможную связь флуктуации Ксим в биоиндикационном периоде с метеорологическими факторами, которые по данным Н.Е. Булыгина, И.И. Курдиани, В.Н. Щепотьева могут оказать стрессирующее воздействие на развитие биоиндикатора. Коэффициент корреляции между среднемесячными значениями Ксим в зонах природного и техногенного фона по всем годам исследования равен 0,99, что подтверждает флуктуационную изменчивость

Ксим в зависимости от метеофакторов.

Проведен корреляционный анализ между метеовеличинами по г. Воронежу и значениями Ксим по пяти месяцам биоиндикационных периодов 2008 -2011 годов. Полученные результаты для двух наиболее контрастных лет представлены в таблицах 1, 2.

Таблица 1

Значения коэффициента корреляции между метеорологическими _параметрами и значениями Ксим. в 2008 г._

Зона проведения исследований Температура воздуха, °С Атмосферное давление, мм рт. ст. Относительная влажность, % Скорость ветра, м/с Общая облачность, в балах Количество выпавших осадков, мм

Природный фон -0,354 -0,031 0,228 0,512 0,029 0,093

Техногенный фон -0,344 -0,080 0,301 0,516 0,015 0,121

Таблица 2 Значения коэффициента корреляции между метеорологическими параметрами и значениями Ксим. в 2010 г.

Зона проведения исследований Температура воздуха, "С Атмосферное давление, мм рт. ст. Относительная влажность, % Скорость ветра, м/с Общая облачность, в балах Количество выпавших осадков, мм

Природный фон -0,120 -0,670 0,252 0,551 0,039 -0,292

Техногенный фон -0,206 -0,593 0,364 0,545 0,044 -0,376

Для исходной выборки листовых пластин значимая, достоверная корреляция достигается при значении коэффициента корреляции 0,5 и более, что по всем годам наблюдается только со скоростью ветра, от которой зависит степень рассеивания атмосферных поллютантов, как основного стрессирующего фактора. В целом ограниченность выборки и сложноструктурное влияние метеофакторов не позволяет по результатам корреляционного анализа прогнозировать текущее значение Ксим листьев в течение биоиндикационного периода. Данное воздействие приводит к флуктуациям Ксим, относительно биоиндикационных прямых, которые учтены в качестве погрешностей разрабатываемой методики.

Для объяснения четырех других выявленных экспериментальных факторов построены биоиндикационные модели, а на их основе разработана методика биоиндикации атмосферного загрязнения.

В третьей главе «Модели отклика биоиндикатора на геоэкологическое состояние атмосферы» построены две биоиндикационные модели, объясняющие выявленные экспериментальные факторы.

Модель прогнозирования коэффициента асимметрии листовых пластин в начале биоиндикационного периода в зависимости от метеорологических факторов предбиоиндикационного периода.

Стрессирующие факторы могут оказывать свое воздействие не только в биоиндикационный период, но и в предбиоиндикационный период (с января по апрель). Уровень накопления стрессового воздействия в предбиоиндикационный период определяет значение Кснм в начале биоиндикационного периода, т.е. начальное значение биоиндикационной прямой.

Исходя из данных представленных в работах А.И. Колесникова [1960], С.З. Курдиани, основное стрессирующие воздействие на тополь пирамидальный в предбиоиндикационный период оказывают температура и оводненность почвы, которая может быть оценена через высоту снежного покрова. Тополь пирамидальный - теплолюбивое растение, не переносящее избытка почвенной влаги. Поэтому стрессирующее воздействие увеличивается при уменьшении отношения средней температуры Т и высоты снежного покрова h в предбиоин-дикационном периоде. Т.е. в качестве индикатора стрессирующего воздействия примем отношение T/h (К/см), которое в рамках одной природной зоны можно считать однородным.

На основе метеорологических и биоиндикационных данных построена

прогностическая кривая,

связывающая отноше-

__ние средних значений

_....- температуры и высоты

--------снежного покрова за

(-008г->__предбиоиндикационные

периоды с Ксим экспери-

--ментально измеренными

______в начале биоиндика-

№1 (2оюг.) ционных периодов. Эта

-;--кривая линия для зоны

;______природного фона предо ю 20 зо ¿о so ю ?о ъ_к ставлена на рисунке 7. Рис. 7. Зависимость значений КС1Ш в начале Точка №4 для 2011 г. биоиндикационного периода от стрессирующих - контрольная. Точка №1 факторов предбиоиндикационного периода соответствует экстремальному предбиоинди-

кационному периоду с минимальным значением стрессирующего индикатора T/h = 11,07 и Ксим = 0,95. С учетом того, что сброс листовых пластин происходит при Ксим = 0,93, предельные значения T/h, когда листья тополя пирамидального не могут развиваются, равно 9,5. В пределах двойного среднеквадра-тического отклонения встречались листья с Ксим = 0,985. Это благоприятный случай, которому для лесостепной зоны может соответствовать средняя температура предбиоиндикационного периода 276° К и высота снежного покрова h =

4 см, т.е. T/h = 69.

Таким образом прогностическая модель с учетом пролонгации, выделенной штриховкой, может работать в диапазоне предбиоиндикационных температур от 263° К до 276° К и высоте снежного покрова от 4 см до 30 см, и позволяет прогнозировать К^, в начале биоиндикационного периода в зоне природного фона.

Геоэкологическая модель функционирования биоиндикатора в течение биоиндикационного периода. Данная модель позволяет объяснить поведение биоиндикационных прямых, т.е. уменьшение Ксим в течение биоиндикационного периода и стремление значений Ксим в конце биоиндикационного периода к стационарному значению.

Стремление к стационарному значению Ксим в области природного и техногенного фона в одних точках, (для природного фона Ксим = 0,93, для техногенного фона Ксим = 0,89) свидетельствует о достижении порогового, адаптивно выработанного уровня накопления продуктов метаболизма, при котором становится не эффективным функциональный аппарат листовых пластин, и начинается процесс опада листьев. Т.е. в соответствии с теоремой неравновесной термодинамики Пригожина, открытые биологические системы работают циклами. В процессе биоиндикационного периода накапливаются продукты метаболизма. Данный факт объясняет старение листовых пластин и уменьшение Ксим листьев. По достижении порогового значения Ксим = 0,93 наблюдается сброс листовых пластин в зоне природного фона.

В работах Трофимова и Зилинга показано, что число геоэкологических состояний системы можно оценить с использованием различных показателей химического загрязнения, к числу которых относится интегральный показатель 1с. В экологии он рассчитывается по формуле:

Ic = Kcl+...+Kc,+...+Kcn-(n- 1), (2)

где п - число определяемых компонентов, Кс, - коэффициент концентрации i -го загрязняющего компонента, равный кратности превышения содержания данного компонента над фоновым значением, Kci = С/Сф. Тогда, если Q = Сф при любом значении п 1с=1. Т.е. при фоновых концентрациях ЗВ экологическая система всегда находится в одном состоянии. В этом идеальном случае в отсутствии стрессирующих факторов Ксим = 1.

Далее в работе определено значение 1с, соответствующее зоне техногенного фона. Для этого, с помощью программы «Магистраль-Город» произведен расчет максимально-разовых выбросов наиболее распространенных загрязняющих веществ от автотранспорта, которые по данным A.C. Ситниковой, Г.М. Попова, Х.А. Джувеликяна и др. оказывают стрессирующее воздействие на пирамидальные тополя (азота диоксид, серы диоксид, сажа). Основными данными для расчета являются: количество автомобилей, проезжающих на участке в единицу времени; тип автотранспортного средства (легковой автомобиль, грузовой автомобиль, автобус). Полученные значения перенесены в программу УПРЗА «Эколог», с целью оценки концентрации поллютантов в атмосферном воздухе, в местах произрастания пирамидальных тополей - в 30 точках. Результаты усреднены по всей техногенной площадке. Азота диоксид: 5,03 ПДК, (1,01 мг/м3); углерод (сажа): 0,14 ПДК, (0,02 мг/м3); сера диоксид: 0,24 ПДК, (0,12 мг/м3). Тогда интегральный показатель загрязнения атмосферы на техногенной площадке 1ст=20.

В районе заповедника изучаемые химические вещества характеризуются следующими концентрациями: азота диоксид - 0,055мг/м~, углерод (сажа) -0,03 мг/м3, серы диоксид - 0,05 мг/м3. Следовательно для уровня природного

фона 1с = 1. Геоэкологическая модель Трофимова имеет следующие градации: 1с < 8 - экологическая норма (комфортная для проживания человека территория); 8 < 1с < 32 - экологический риск; 32 < 1с < 64 - экологический кризис (некомфортная для проживания человека территория).

Применение этой модели для биоиндикационных измерений требует учета старения биоиндикатора в биоиндикационном периоде и учета стрессирующих факторов в предбиоиндикационном периоде, что на основании экспериментальных данных показано на рисунке 8. Точки №1, №2 и №3 построены по биоиндикационным измерениям 2008 г. в зонах природного и техногенного фона. Причем точка №2 соответствует техногенной площадке - нефтебазе при 1с = 17, когда почвенное загрязнение нефтепродуктами отсутствует. Точки №4 и №5 -для экстремального 2010 г.

Анализ графика позволяет сделать следующие выводы:

1. Уменьшение коэффициента асимметрии листовых пластин линейно связано с интегральным показателем загрязнения атмосферы, и не зависит от условий предбиоиндикационного периода. Между зонами природного и техногенного фона по всем годам исследования приращение 1с равно 19 безразмерным единицам.

2. Параллельный сдвиг биоиндикационных прямых обусловлен влиянием метеофакторов предбиоиндикационного периода.

3. Старение биоиндикатора не зависит от техногенного загрязнения атмосферы в пределах ранга экологического риска при малой техногенной нагрузке. Этот процесс идентичен для зон природного и техногенного фона. Установленный факт свидетельствует о глубинных биологических процессах циклического накопления и сброса продуктов метаболизма листовыми пластинами при поддержании биоиндикатором своего гомеостаза.

4. Линейное уменьшение коэффициента асимметрии листовых пластин при повышении интегрального показателя химического загрязнения атмосферы позволяет эффективно использовать тополь пирамидальный в качестве атмосферного биоиндикатора.

Рис. 8. График изменения динамики хода значений Ксим в зависимости от значений 1с

В четвертой главе «Модификация методики биоиндикационной оценки геоэкологического состояния атмосферы техногенно нарушенных территорий» разработаны две совместно применяемые биоиндикационные методики, основанные на различных биоиндикационных признаках.

Методика оценки геоэкологического состояния приземной атмосферы на основе анализа флуктуирующей асимметрии листьев тополя пирамидального основана на уменьшении значений Ксим вследствие стрессирующего воздействия атмосферных пол-лютантов. Для ее реализации установлена связь между значениями Ксим и ранговыми значениями 1с. Для этого был введен коэффициент биологической чувствительности (К5) биоиндикатора. Он определяется как отношение изменения среднемесячного значения Ксим между зонами природного и техногенного фона к изменению значения 1с между этими зонами:

К6 = АКсим/А1с (3)

Зная константу К6 = 0,0021, можно определить значения показателя АКСИМ = Д1с * Кб. Для уровня 1с = 8 (Ale = 7) АКСИМ = 0,0147, для 1с = 32 (Ale = 31) АКСИМ = 0,0651, для 1с = 64 (Ale = 63) АКСИМ = 0,01323. Вычитаем полученные значения из нижнего адаптивного значения Кси„ для зоны природного фона, равного 0,93, и получим искомые величины (рисунок 9).

Для 1с = 8, Ксим = 0,9153; для 1с = 32, КС1Ш = 0,8649; для 1с = 64, Ксим. = 0,7977 (точки D, R, L на рисунке 9).

На основании построенных моделей и проведенных рас-четов составлена биоиндикационная геоэкологическая диаграмма отклика биоиндикатора в биоиндикационном периоде, рисунок 9. Классификация территории осуществляется по попаданию полученного усредненного по выборке значения КС1Ш в соответствующее поле.

Измерив, текущее изменение АКСИМ относительно уровня природного фона, можно вычислить интегральный показатель загрязнения атмосферы по формуле

май июнь июль август сентябрь

Биоиндикационная прямая природного фона --■- Биоиндикационная прямая техногенного фона —о— Биоиндикационная граница 1с = 8 —X— Биоиндикационная граница 1с = 32 —+— Биоиндикационная граница 1с = 64

I 1 Поле соответствующее экологической норме ! I Поле соответствующее экологическому риску Поле соответствующее экологическому кризису

Рис. 9. Биоиндикационная геоэкологическая диаграмма отклика биоиндикатора в биоиндикационном периоде

(4). Помесячные погрешности методики флуктуирующей асимметрии, за счет случайного изменения метеофакторов в биоиндикационном периоде представлены в таблице 3.

Ic = 1 + ДКсим/Кб (4)

Таблица 3

Помесячные погрешности значений 1с _

Погрешность Май Июнь Июль Август Сентябрь

81с 1,29 2 1,81 1,43 1,9

Относительная ошибка, Ъ, = (51с / 1ст) * 100, не превышает 10%.

Разработанная методика флуктуирующей асимметрии позволяет при попадании значений Ксим в ранг нормы сделать достоверное заключение о комфортности исследуемой территории, а при попадании в ранг кризиса о ее некомфортности для жизнедеятельности человека. При попадании значения Ксим в ранг риска возможны ошибки первого и второго рода, которые не позволяет оценить методика флуктуирующей асимметрии.

Этот недостаток ликвидирует разработанная вторая дополнительная методика биоиндикации. Данная методика основана на анализе текстуры листовых пластин.

Под текстурой листа понимаются статистические связи между отражательной способностью отдельных элементов внешнего строения листа. Моделью является закон распределения отражающих элементов (пикселов) листа по яркости. Пример такого распределения указан на рисунке 10. Этот закон по экспериментальным зонам и месяцам отбора проб устойчиво сохраняется и является логонормальным. р

0,025

Рис. 10. Закон распределения отражательной способности пикселов листа пирамидального тополя

В работах О.В. Базарского исследован и предложен ряд статистических признаков для распознавания текстурных изображений, в том числе и лиственных лесов. Наиболее информативными являются следующие признаки: количество условных единиц (точек), имеющих наиболее вероятную отражательную способность и число экстремумов по медианной линии текстуры. Эти два при-

16

знака и были выбраны в качестве основы для оценки изменчивости текстуры листовых пластин вследствие техногенной нагрузки.

За первый текстурный признак принимается интервал значений отражательной способностью с повторяемостью «Р» более 0,005, рисунок 10. Значения были помесячно и территориально усреднены и представлены в таблице 4, а среднеквадратическая ошибка в таблице 5.

Таблица 4

Значения первого текстурного признака__

—Месяцы Зона -— май июнь июль август сентябрь

Природный фон 51,21 50,96 55,61 57,41 53,17

Техногенный фон 53,32 55,85 58,52 56,77 56,58

Таблица 5

Среднеквадратическая ошибка первого текстурного признака_

...................... Меся цы Зона ........................... май июнь июль август сентябрь

Природный фон 4,08 5,89 7,44 6,76 6,03

Техногенный фон 4,76 6,63 7,85 6,87 6,37

За второй признак принимается отношение количества экстремумов по среднему сечению листа к числу пикселов, рисунки 11, 12. Усредненные значения признака и его среднеквадратическая ошибка указаны в таблицах б и 7.

Мерой оценки поражения поверхности листовых пластин выбран интегральный признак, который вычисляется как произведение двух первичных текстурных признаков, таблицы 8 и 9.

W

7\

Ж

Отражательная способность

Рис. 11. Среднее сечение листовой пластины.

:>з та

Рис. 12. Пример распределения отражательной способности по среднему сечению листовой пластины.

Таблица 6

Значения второго текстурного признака__

——______Меся цы Зона ——_____ май июнь июль август сентябрь

Природный фон 0,2835 0,3420 0,3401 0,3131 0,3382

Техногенный фон 0,3130 0,3518 0,3531 0,3604 0,3574

Таблица 7

Среднеквадратическая ошибка второго текстурного признака_

—____К4есяцы Зона —------ май июнь июль август сентябрь

Природный фон 0,028 0,041 0,038 0,031 0,043

Техногенный фон 0,031 0,039 0,041 0,055 0,055

Таблица 8

Значения интегрального признака_

—_-______М еся цы Зона ~ ~——_____ май июнь июль август сентябрь

Природный фон 14.52 17,43 18,91 17,96 17,98

Техногенный фон 16,69 19,65 20,66 20,46 20,22

Таблица 9

Среднеквадратическая ошибка интегрального признака _

~~ —-_______М еся цы Зона ——______ май июнь июль август сентябрь

Природный фон 1,99 2,90 3,30 2,77 3,06

Техногенный фон 2,22 3,19 3,67 3,98 3,86

За счет того, что помесячные значения первичных признаков распределены равномерно с незначительными флуктуациями, функциями принадлежности интегрального признака для природного и техногенного фона будет являться свертка первичных признаков. Этой сверткой является треугольная функция, с шириной основания равной двум среднеквадратическим ошибкам. В качестве примера на рисунке 13 приведены функции принадлежности интегрального признака природного и техногенного фона в июне месяце.

В работе установлена оценочная шкала градаций интегрального признака соответствующую шкале в методике флуктуирующей симметрии: экологическая норма (интервал А< -В,), экологический риск (интервал В, - А3), экологический кризис (интервал А3 - В3).

Соответствие шкал

чч02 ' '

20 21

Рис. 13. Пример функции принадлежности интегрального признака для зон природного и техногенного фона за июнь месяц

геоэкологических рангов по обоим методикам производится через интегральный показатель загрязнения 1с.

В интервале экологического риска осуществляется расчет ошибок классификации первого и второго рода.

Вероятность ошибки первого рода Р/ пропуск экологического кризиса для зоны В\ - С2, когда риск классифицируется как норма, определяется по формуле:

Л = (0,5 *5(Д1С1С2))/(5(5,0,А2С,С2)), (5)

где 5 — площадь фигуры.

В этой зоне вероятность правильной классификации Рн = (1 - Р;). Для зоны С2 - А3 существует ошибка второго рода Р2, когда риск классифицируется как кризис, т.е. вероятность ложной тревоги:

/>2= (0.5 *5(ЛзС,С2))/(5(ЛЗС,С2В202)),. (6)

В этой зоне вероятность правильной классификации (Рр = (1 - Рт). Данные расчетов приведены в таблице 10.

Таблица 10

Вероятности правильной классификации состояния атмосферы_

Экологическая Экологический риск Экологический

норма кризис

Интервал Интервал Интервал Интервал

А1 - В] выра- В| - С2 выра- Сг - Аз выра- Аз - В3 выра-

женный в зна- женный в зна- женный в зна- женный в зна-

Месяцы чениях инте- чениях инте- Граничное чениях инте- чениях инте-

грального при- грального при- значение грального при- грального при-

знака знака (С2-С,) знака знака

Вероятность Вероятность Вероятность Вероятность

правильной правильной правильной правильной

классификации классификации классификации классификации

Май 12.51 - 14.47; 14.47- 15.57; <15.57> 15.57 - 16.52; 16.52 - 18.91;

1 0,84 0,83 1

Июнь 14.52- 16.46; 16.46- 18.47; <18.47> 18.47-20.33; 20.33-22.85;

1 0,81 0,81 1

Июль 15.60- 16.99; 16.99- 19.7; <19.70> 19.70-22.20; 22.20-24.33;

1 0,75 0,77 1

Август 15.20- 16.48; 16.48- 18.97; <18.97> 18.97-20.73; 20.73-24.44;

1 0,79 0,81 1

Сентябрь 14.92-16.36; 16.36-18.98; <18.98> 18.98-21.05; 21.05 -24.08;

1 0,78 0,80 1

Соответствие значений показателя 1с в ранге экологического риска интервалам интегрального признака приведено в таблице 11.

Таблица 11

Помесячные интервалы интегрального показателя загрязнения в ранге __экологического риска_

Месяцы Экологический риск

Интервал в,-с2 заданный значениями 1с Граничное значение С2 Интервал С2-Аз заданный значениями 1с

Май 8 - 20,88 <20,88> 20,88 -32

Июнь 8 - 20,47 <20,47> 20,47 - 32

Июль 8 - 20,48 <20,48> 20,48 - 32

Август 8-22,51 <22,51> 22,51 -32

Сентябрь 8-21,41 <21,41> 21,41 -32

Таким образом если полученное в ходе исследований значение Ксим попадает в ранг риска, то оценить степень комфортности для человека исследуемой территории возможно с учетом вероятностей ошибок классификации, вычисляя функцию принадлежности, граничное значение и интервалы неопределенности В, -С2 и С2-А3.

Достоверность разработанной методики проверена путем сравнения биоиндикационных измерений с результатами инструментальных измерений в зоне техногенного фона. Погрешность биоиндикационных измерений не превышает 10%.

Применение биоиндикационной методики для геоэкологического мониторинга атмосферы на больших географических территориях

1. Квазистационарное распределение ЗВ от источника эмиссии устанавливается на расстоянии более 100 м. Исследуемая территория разбивается на элементарные (локальные) площади с размерами не менее 100x100 м2. На данной площадке должно произрастать не менее пяти биоиндикаторов для репрезентативности выборки.

2. На каждой площадке, в лесостепной зоне Европейской части России, ежемесячно должны быть измерены средние значения коэффициента асимметрии листовых пластин в течение биоиндикационного периода.

3. Оценивается геоэкологическое состояние каждой площадки на большой географической территории в течение биоиндикационного периода.

4. Проводится многолетний геоэкологический мониторинг по всей территории с анализом динамики загрязнения атмосферы.

5. По результатам мониторинга разрабатывается программа экологического менеджмента изучаемой территории.

6. Разработанные модели и методику целесообразно использовать в ходе экологического мониторинга атмосферы, проводимого на больших географических территориях, где не используются инструментальные методы из-за значительных финансовых затрат.

Основные научные результаты

В ходе экспериментальных и теоретических исследований получены следующие научные результаты.

1. В качестве биоиндикатора техногенного загрязнения окружающей среды для лесостепной зоны выбран тополь пирамидальный (Populus pyramidalis). Определен предельный уровень загрязнения грунтов зоны аэрации при котором тополь пирамидальный еще является чисто атмосферным биоиндикатором. Он составил 20 ОДК.

2. На основе проведенных экспериментальных измерений установлены следующие закономерности:

2.1. Уменьшение значений коэффициента асимметрии листьев в течение биоиндикационного периода, со сходной динамикой этого процесса в зонах природного и техногенного фонов.

2.2. Параллельный сдвиг биоиндикационных прямых в зоне техногенного фона относительно зоны природного фона пропорционально уровню загрязнения атмосферы.

2.3. Начальные значения коэффициента асимметрии в мае (в начале биоиндикационного периода) различаются по годам и зонам исследования, но сдвиг за счет техногенного воздействия остается постоянным.

2.4. Биоиндикационные прямые в конце биоиндикационного периода стремятся к стационарному значению, соответствующему началу опада листовых пластин. Для природного фона соответствующий уровень коэффициента асимметрии равен 0,93, для техногенного 0,89.

2.5. Наблюдаются незначительные флуктуации коэффициентов асимметрии относительно биоиндикационных прямых. Устойчивые корреляционные связи с метеопараметрами в течение биоиндикационного периода не выявлены. Поэтому эти флуктуации учтены в качестве погрешностей разрабатываемой методики.

3. На базе экспериментально установленных закономерностей построены две биоиндикационные модели.

3.1. Модель прогнозирования коэффициента асимметрии листовых пластин в начале биоиндикационного периода в зависимости от усредненных метеорологических факторов предбиоиндикационного периода - температуры и высоты снежного покрова, в наибольшей степени влияющих на биоиндикатор.

3.2. Геоэкологическая модель функционирования биоиндикатора в течение биоиндикационного периода, объясняющая уменьшение коэффициента асимметрии за счет старения биоиндикатора. Данная модель позволяет объяснить стремление биоиндикационных прямых в момент сброса листовых пластин к стационарному значению пороговым уровнем накопления продуктов метаболизма.

4. На базе построенных биоиндикационных моделей модифицирована методика биоиндикационной оценки геоэкологического состояния атмосферы техногенно нарушенных территорий.

Методика основана на измерениях коэффициента асимметрии и текстурных признаков листовых пластин. Она позволяет классифицировать геоэкологическое состояние атмосферы по трем экологическим рангам, оценить ошибки

классификации, а также вычислить интегральный показатель химического загрязнения атмосферы.

В результате комплекса проведенных геоэкологических исследований в диссертационной работе была решена поставленная научная задача - разработаны модели и методика биоиндикационной оценки геоэкологического состояния приземной атмосферы техногенно нарушенных территорий.

Список публикаций по теме диссертации

1. Козинцев, С.Н. Методика текстурной биоиндикации геоэкологического состояния окружающей среды / С.Н. Козинцев, О.В. Базарский // Вестник Воронежского государственного университета. Сер. Химия. Биология. Фармация. № 2 . - Воронеж, 2011 . - С. 78-83.

2. Козинцев, С.Н. Методика геоэкологической биоиндикации георисков техногенно-трансформированных территорий/ С. Н. Козинцев, И. И. Косинова, О. В. Базарский // Георпск. №3 . - М., 2012 . - С. 22-25.

3. Козинцев, С.Н. Исследование корреляционной связи между загрязнением нефтепродуктами неоген-четвертичного водоносного горизонта и состоянием биоты на территории загрязнения / С.Н. Козинцев, О.В. Базарский // Сергеевские чтения. Международный год планеты Земля : задачи геоэкологии, инженерной геологии и гидрогеологии : материалы годичной сессии Науч. совета РАН по проблемам геоэкологии, инженерной геологии и гидрогеологии, 20-21 марта 2008 . — М„ 2008 .— С. 215-220.

4. Козинцев, С.Н. Методология тератологических эколого-геологических исследований / С.Н. Козинцев, О.В. Базарский // Молодые - наукам о земле : материалы межвуз. науч. конф. студ., аспирантов и молодых ученых .— М., 2008 .— С. 155.

5. Козинцев, С.Н. Оценка экологического состояния района «Нефтебазы», г. Воронеж / С.Н. Козинцев, О.В. Базарский // Материалы научной сессии Воронежского государственного университета. Секция экологической геологии .— Воронеж, 2008 .— С. 41 -43.

6. Козинцев, С.Н. Эколого-геологическая оценка района нефтебазы г. Воронежа /С.Н. Козинцев, О.В. Базарский // Месторождения природного и техногенного минерального сырья : геология, геохимия, геохимические и геофизические методы поисков, экологическая геология : материалы междунар. конф., посвящ. 90-летию Воронеж, гос. ун-та, г. Воронеж, 12-16 нояб. 2008 . — Воронеж, 2008 .— С. 435-438.

7. Козинцев, С.Н. Методология экологической оценки состояния окружающей природной среды на основе тератологического анализа пирамидальных тополей / С.Н. Козинцев // Школа экологической геологии и рационального недропользования : материалы 9-й межвуз. молодежной конф. — СПб., 2008 .— С. 230-232.

8. Козинцев, С.Н.. Методика определения пространственного распределения углеводородного загрязнения на поверхности грунтовых вод и организация реабилитационных работ на примере нефтебазы ЗАО «Воронеж-Терминал» /

С.Н. Козинцев, O.B. Базарский // Обеспечение экологической безопасности в чрезвычайных ситуациях : материалы 3-й междунар. науч.-практ. конф., 13 дек. 2007 . — Воронеж, 2007 .— Ч. 2. - С. 124-128.

9. Козинцев, С.Н. Методика эффективного расположения куста скважин для откачки жидких загрязнителей с поверхности грунтовых вод зоны аэрации (на примере нефтебазы) / С.Н. Козинцев // Геологи 21 века : материалы 9 все-рос. науч. конф. студ., аспирантов и молодых специалистов .— Саратов, 2008 .— С. 130-131.

10. Козинцев, С.Н. Пирамидальный тополь - показатель экологической обстановки на территории углеводородного загрязнения грунтовых вод / С.HI Козинцев // Материалы научной сессии Воронежского государственного университета. Секция экологической геологии .— Воронеж, 2009 .— Вып. 2. - С. 4649.

11. Козинцев, С.Н. Программный комплекс Arc View GIS 3.2а как основа тератологического анализа / С.Н. Козинцев // Обеспечение экологической безопасности в чрезвычайных ситуациях : материалы 4-й Междунар. науч.-практ. конф. (г. Воронеж, 12 дек. 2008г.).— Воронеж, 2008 .—Ч. 4. - С. 99-101.

12. Козинцев, С.Н. Методология тератологической оценки состояния территории как основа построения ее комплексной геоэкологической модели / С.Н. Козинцев, О.В. Базарский // Сергеевские чтения. Моделирование при решении геоэкологических задач .— М., 2009 .— Вып. 11. Материалы годичной сессии Научного совета РАН по проблемам геоэкологии, инженерной геологии и гидрогеологии. - С. 178-183.

13. Козинцев, С.Н. Анализ влияния климатических факторов на морфологические показатели листьев пирамидального тополя в рамках метода биоиндикации / С.Н. Козинцев // Материалы научной сессии Воронежского государственного университета. Секция экологической геологии .— Воронеж, 2010 .— Вып. 3.-С. 49-52.

14. Козинцев, С.Н. Программный комплекс Ars View GIS 3.2а как основа тератологического анализа / С.Н. Козинцев // Обеспечение безопасности в чрезвычайных ситуациях : материалы 5-й междунар. науч.-практ. конф., г. Воронеж, 16 дек. 2009 . — Воронеж, 2009 .— Ч. 2. - С. 106-109.

15. Козинцев, С.Н. Рекомендации к применению биобарьеров на пути распространения загрязняющих веществ в атмосферном воздухе / С.Н. Козинцев // Обеспечение безопасности в чрезвычайных ситуациях : материалы 5-й междунар. науч.-практ. конф., г. Воронеж, 16 дек. 2009 . — Воронеж, 2009 .— Ч. 2. -С. 129-133.

16. Козинцев, С.Н. Комплексный подход к проведению инженерно-геологических и инженерно-экологических изысканий с применением метода биоиндикации / С.Н. Козинцев, О.В. Базарский // Сергеевские чтения. Научное обоснование актуализации нормативных документов инженерно-геологических и инженерно-экологических изысканий : материалы годичной сессии Науч. совета РАН по проблемам геоэкологии, инженерной геологии и гидрогеологии, 23-24 марта 2010 . — М., 2010 .— Вып. 12. - С. 350-355.

17. Козинцев, С.Н. Определение относительного вклада почвы и атмосферы в показания биоиндикатора при экогеологических исследованиях / С.Н. Козинцев // Школа экологической геологии и рационального недропользования : материалы 11-й межвуз. молодежной науч. конф., 30 мая-3 июня 2011 . — СПб., 2011 .— С. 235-237.

18. Козинцев, С.Н. Биоиндикационная информативность листьев представителей вида тополь пирамидальный, произрастающих с разных сторон света / С.Н. Козинцев // Экологическая геология: теория, практика и региональные проблемы : материалы 2-й междунар. науч.-практ. конф., 4-6 окт. 2011 . — Воронеж, 2011 .— С. 444-447.

19. Козинцев, С.Н. Характеристика проявления асимметричности в морфологических показателях листьев пирамидального тополя / С.Н. Козинцев // Обеспечение безопасности в чрезвычайных ситуациях : материалы 6-й Междунар. науч.-практ. конф., г. Воронеж, 10 дек. 2010г. — Воронеж, 2010 .— Ч. 2. -С. 147-152.

Подписано в печать 08.04.2013 г. Формат 60x84 1/16. Бумага писчая. Усл.-печ. л. 1,5. Тираж 100 экз. Заказ №357. Отпечатано: ВУНЦ ВВС «Военно-воздушная академия имени профессора Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина» (г. Воронеж). 394064, г. Воронеж, ул. Старых большевиков, д. 54а.

Текст научной работыДиссертация по наукам о земле, кандидата географических наук, Козинцев, Сергей Николаевич, Воронеж

Козинцев Сергей Николаевич

04201358907

МОДЕЛИ И МЕТОДИКА БИОИНДИКАЦИОННОЙ ОЦЕНКИ ГЕОЭКОЛОГИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ АТМОСФЕРЫ ТЕХНОГЕННО НАРУШЕННЫХ ТЕРРИТОРИЙ

диссертация на соискание ученой степени

кандидата географических наук по специальности 25.00.36 - Геоэкология (Науки о Земле)

Воронеж 2013

Содержание

Введение................................................................................................4

1. Обоснование выбора биоиндикатора и оценка его геоэкологической селективности.................................................................................................................11

1.1. Анализ литературных источников по биоиндикационным исследованиям техногенно нарушенных территорий и выбор биоиндикатора.... 11

1.2. Методика отбора проб листовых пластин..............................................28

1.3. Исследования сравнительного вклада атмосферы и почвы (грунтов) в

отклик биоиндикатора, и оценка его селективности..............................................35

Выводы.........................................................................................................................42

2. Результаты экспериментальных исследований отклика биоиндикатора на техногенное загрязнение атмосферы и их анализ....................................................44

2.1. Экспериментальное изучение флуктуирующей асимметрии

листовых пластин в зонах природного и техногенного фона.........................44

2.2. Особенности хода коэффициента асимметрии листьев

в зоне природного фона при наличии пожара..............................................49

2.3. Анализ полученных экспериментальных данных.............................................58

2.4. Изучение биоиндикационного отклика листовых пластин,

взятых с различных сторон света..............................................................................62

Выводы.........................................................................................................................64

3. Модели отклика биоиндикатора на геоэкологическое

состояние атмосферы.....................................................................................................66

3.1. Модель прогнозирования коэффициента асимметрии листовых пластин в начале биоиндикационного периода в зависимости от метеорологических факторов предбиоиндикационного периода.............................................................66

3.2. Геоэкологическая модель функционирования биоиндикатора в течение биоиндикационного периода.....................................................................................70

Выводы.........................................................................................................................82

4. Модифицированная методика биоиндикационной оценки геоэкологического состояния атмосферы техногенно нарушенных территорий...............................84

4.1. Методика биоиндикации, основанная на флуктуирующей

асимметрии листовых пластин.................................................................................84

4.2. Методика биоиндикации, основанная на анализе текстуры

листовых пластин........................................................................................................89

4.3. Реализация методики биоиндикационных исследований..............................106

4.4. Применение биоиндикационной методики для геоэкологического

мониторинга атмосферы...........................................................................................108

Выводы.......................................................................................................................111

Заключение.........................................................................................112

Список литературы.................................................................................115

Приложение 1......................................................................................129

Приложение 2......................................................................................130

Приложение 3......................................................................................134

Приложение 4......................................................................................136

Введение

Актуальность темы. Развитие любой живой системы проявляется в двух основополагающих направлениях: экстенсивном - в географическом освоении новых территорий и интенсивном - биологической эволюции. На определенном этапе интенсивного развития человек освоил применение огня, создал первые кустарные производства, что явилось отправной точкой систематической трансформации качественного и количественного состава природных геосфер. Многие столетия трансформация была распространена в узкой территориальной географии и не затрудняла жизнедеятельность населения. Только в эпоху средневековья человечество впервые столкнулось с обратной стороной промышленной функции - экологической проблематикой. К этому же периоду приурочен первый в мире правовой акт, регулирующий общественные отношения в сфере природопользования, - указ, выпущенный в Англии в XIV в., который запрещал сжигать каменный уголь в Лондоне [97]. В России первый нормативно-правовой акт датирован 1833 г. Это постановление, регламентирующее размещение промышленных предприятий за пределами населенных пунктов.

Прогрессивный рост промышленности получил особенно яркое проявление во второй половине XX века, что непременно отразилось в интенсификации выбросов загрязняющих веществ в атмосферный воздух.

На сегодняшний день в соответствии с государственным докладом «О состоянии и об охране окружающей среды Российской Федерации» [120] в группу основных химических загрязнителей атмосферы техногенного генезиса входят: оксиды и диоксиды азота, углерода, серы диоксид, твердые вещества. Развитие промышленности и увеличение автопарка в России приводят к повышенным уровням концентраций атмосферных поллютантов в местах жизнедеятельности населения [113]. Данный факт определяет необходимость проведения экологического мониторинга состояния крупных промышленных центров. Применяемые для этого точные количественные

методы химического анализа атмосферного воздуха связаны со значительными финансовыми затратами. Измерение максимально-разовых концентраций не дает реального представления о экологическом состоянии загрязненного воздушного бассейна вследствие высокой динамики рассеивания и вымывания загрязняющих веществ (ЗВ). В каждой точке требуется измерить среднесуточную концентрацию каждого ЗВ минимум четыре раза в сутки. При этом среднесуточное отклонение за счет естественной изменчивости характеризуется погрешностью не менее ± 25% [111, 112]. Вследствие высокой рассеивающей способностью атмосферы наблюдается высокий градиент концентраций ЗВ, когда на расстоянии в несколько десятков метров концентрация ЗВ изменяется в разы [85]. Т.е. для построения квазистационарной модели пространственного распределения ЗВ на городской территории необходимо построить сеть стационарных станций с шагом не более 100 м, измеряющих среднесуточную концентрацию основных загрязнителей атмосферы воздуха, причем количество измерений в сутки должно зависеть от метеорологических условий в данный период времени.

Теперь ясно, что инструментальный экологический мониторинг состояния атмосферы промышленных центров требует значимых финансовых затрат. Поэтому проводятся только отдельные исследования в наиболее экологически опасных очагах загрязнения, которые не дают полной картины комфортности проживания населения города.

В тоже время существует биоиндикационная методика флуктуирующей асимметрии, позволяющая оценить геоэкологическое состояние атмосферы [25, 109] и сделать вывод о комфортности проживания населения в различных районах техногенно нарушенных территорий.

Преимущества биоиндикационной методики:

- биоиндикаторы, в частности древесные растения, произрастают на техногенно нарушенных территориях с шагом требуемым для квазистационарной оценки геоэкологического состояния атмосферы;

- отклик биоиндикаторов интегральный, определяемый воздействием всех ЗВ за время от начала вегетации до момента отбора проб;

- выращивание биоиндикаторов требует незначительных финансовых затрат, они не требуют обслуживания и могут использоваться в течение многих лет;

- указанные особенности биоиндикаторов определяют низкую стоимость биоиндикационных исследований на обширных территориях.

В то же время существующая биоиндшационная методика имеет и ряд существенных недостатков:

не исследована селективность биоиндикаторов, т.е. вклад в биоиндикационные показатели атмосферных и почвенных (грунтовых) поллютантов;

- не исследовано биологическое старение биоиндикатора в течение биоиндикационного периода;

не учитывается влияние метеорологических факторов предбиоиндикационного и биоиндикационного периодов;

не достаточно исследована система «техногенно нарушенная окружающая среда - биоиндикатор», не построена ее модель, вследствие чего существующая методика недостаточно обоснована, и невозможно оценить вероятности ошибочной классификации состояния окружающей среды.

При ликвидации указанных недостатков модифицированная биоиндикационная методика может являться более эффективным и низкозатратным инструментом интегральной оценки геоэкологического состояния атмосферы на обширных географических территориях, что и определяет актуальность темы исследования.

Объект исследования - приземная атмосфера техногенно нарушенных территорий.

Предмет исследования - геоэкологическое состояние приземной атмосферы техногенно нарушенных территорий.

Научная задача - построение моделей и модификация методики биоиндикационной оценки геоэкологического состояния приземной атмосферы

техногенно нарушенных территорий лесостепной зоны Европейской части России.

Цель исследования - обеспечение интегральной биоиндикационной оценки геоэкологического состояния атмосферы на обширных территориях за счет комплексного учета биологических, метеорологических и антропогенных факторов.

Задачи исследования:

1. Анализ литературных источников по биоиндикационным исследованиям техногенно нарушенных территорий и выбор биоиндикатора.

2. Проведение экспериментальных исследований отклика биоиндикатора на техногенное загрязнение атмосферы.

3. Построение моделей отклика биоиндикатора на геоэкологическое состояние атмосферы.

4. Модификация методики биоиндикационных измерений геоэкологического состояния атмосферы техногенно нарушенных территорий.

Область исследования. Содержание диссертационной работы соответствует паспорту специальности 25.00.36 - Геоэкология (Науки о Земле, географические науки) по следующим пунктам области исследования:

- 1.8. Природная среда и геоиндикаторы ее изменения;

- 1.12. Геоэкологический мониторинг и обеспечение геоэкологической безопасности, средства контроля;

- 1.14. Моделирование геоэкологических процессов;

- 1.17. Геоэкологическая оценка территорий.

Методы исследования. При решении поставленных задач использовались методы: эколого-географических исследований (сравнительно-географический, картографический, эколого-географических наблюдений); математической статистики; неравновесной термодинамики открытых систем; вычислительной математики; математического моделирования.

Научная новизна диссертационной работы.

1. На основании проведенных экспериментальных исследований биоиндикатора установлены новые отличительные особенности:

- выявлен пороговый уровень загрязнения почвы (грунтов), превышение которого не позволяет считать тополь пирамидальный селективным атмосферным биоиндикатором;

- установлено, что на биоиндикационные значения в зонах природного и техногенного фона сходно влияет биологическое старение биоиндикатора, что необходимо учитывать при разработке методики биоиндикации;

- выявлено устойчивое в течение всего биоиндикационного периода отличие биоиндикационных данных в зонах природного и техногенного фона, зависящее от уровня загрязнения атмосферы.

2. Построены модели отклика биоиндикатора на геоэкологическое состояние атмосферы, отличающиеся учетом атмосферной техногенной нагрузки, старения биоиндикатора и метеорологических факторов.

3. Модифицирована методика биоиндикационных измерений геоэкологического состояния атмосферы техногенно нарушенных территорий. Отличительные особенности:

- определен коэффициент биологической чувствительности тополя пирамидального к интегральному загрязнению атмосферы;

- построена биоиндикационная геоэкологическая диаграмма отклика биоиндикатора на техногенное загрязнение атмосферы, позволяющая классифицировать уровень ее загрязнения по трем рангам;

- оценены вероятности правильной классификации геоэкологического состояния атмосферы по выбранным экологическим рангам.

Достоверность результатов работы достигнута корректной постановкой задач исследования; большим объемом используемой репрезентативной базы данных; использованием апробированного математического аппарата; согласованностью в частных случаях с результатами, полученными другими авторами.

Фактический материал и информационная база исследования.

Диссертационная работа является результатом исследований проведенных в период с 2008 г. по 2011 г. В основу положены результаты полевых наблюдений за популяциями пирамидальных тополей в зоне техногенного фона (г. Воронеж) и в зоне природного фона, вблизи Воронежского государственного природного биосферного заповедника (далее - заповедник).

Кроме того, использованы:

- метеорологические данные и данные о значениях концентраций изучаемых химических веществ в зоне природного фона, предоставленных Воронежским областным центром по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды;

- данные о значениях концентраций изучаемых химических веществ в зоне техногенного фона, предоставленных управлением по охране окружающей среды департамента общественной безопасности администрации городского округа г. Воронеж.

Практическая значимость. Разработанная биоиндикационная методика оценки геоэкологического состояния атмосферы техногенно нарушенных территорий является оперативным и низкозатратным инструментом экологического мониторинга больших географических территорий.

Апробация работы произведена в форме докладов на различных научных конференциях. Годичная сессия Научного совета РАН по проблемам геоэкологии, инженерной геологии и гидрогеологии, (Москва, Президиум РАН, 2008). «Месторождения природного и техногенного минерального сырья: геология, геохимия, геохимические и геофизические методы поисков, экологическая геология»: Международная конференция, посвященная 90-летию Воронежского государственного университета, (Воронеж, ВГУ, 2008). «Обеспечение экологической безопасности в чрезвычайных ситуациях»: 3-я международная научно-практическая конференция (Воронеж, ВГТУ 2007, 2008). «Экологическая геология: теория, практика и региональные проблемы»: 2-я международная научно-практическая конференция (Воронеж, ВГУ 2011).

Научная сессия Воронежского государственного университета, секция экологической геологии (Воронеж, ВГУ, 2008, 2009, 2010).

Защищаемые положения:

1. Обоснование выбора биоиндикатора и оценка его геоэкологической селективности.

2. Результаты экспериментальных исследований отклика биоиндикатора на техногенное загрязнение атмосферы и их анализ.

3. Модели отклика биоиндикатора на геоэкологическое состояние атмосферы

4. Модифицированная методика биоиндикационной оценки геоэкологического состояния атмосферы техногенно нарушенных территорий.

Структура и объем работы: диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованных литературных источников (включающего 124 наименования, в том числе 6 на иностранном языке), четырех приложений. Объем диссертации составляет 137 страниц, включая 57 рисунков, 36 таблиц.

Благодарности. Автор выражает глубокую благодарность своему научному руководителю доктору физико-математических наук, профессору О.В. Базарскому, за неизменную поддержку, высококвалифицированные консультации и доброжелательное отношение на протяжении всего периода формирования диссертационной работы.

1. Обоснование выбора биоиндикатора и оценка его геоэкологической

селективности

1.1. Анализ литературных источников по биоиндикационным исследованиям техногенно нарушенных территорий и выбор биоиндикатора

Биологической теорией исторически выделяется пять основных царств живых организмов [92]: животные, растения, грибы, бактерии (или дробянки) и вирусы. С 1977 года к ним также присоединяют ещё два царства - протесты и археи, а с 1998 выделяют ещё одно - хромисты [124]. Биоиндикационные исследования последнего времени широко распространены -в трех из них: царства растений, животных, грибов (отдел - лишайники). Проанализируем особенности обозначенных царств в следующих направлениях:

1. Значимость царства в трофической иерархии.

2. Чувствительность представителей царства к техногенному фону.

3. Эффективность представителей царства при проведении экологического мониторинга на локальном уровне.

4. Простота и удобство работы с представителями царства.

1. Растения занимают первичную ступень в пищевой цепи, являясь основным продуцентом [69]. Аккумулированная энергия есть основополагающий базис для развития широкого разнообразия живых организмов на нашей планете. Отрицательное техногенное воздействие на царство ра�