Оценка воздействия выбросов силикатного производства на сосновые экосистемы Среднего Поволжья

Майшанова, Маргарита Ивановна

Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему
Оценка воздействия выбросов силикатного производства на сосновые экосистемы Среднего Поволжья
ВАК РФ 03.02.08, Экология (по отраслям)

Автореферат диссертации по теме "Оценка воздействия выбросов силикатного производства на сосновые экосистемы Среднего Поволжья"

На правах рукописи

Майшанова Маргарита Ивановна

ОЦЕНКА ВОЗДЕЙСТВИЯ ВЫБРОСОВ СИЛИКАТНОГО ПРОИЗВОДСТВА НА СОСНОВЫЕ ЭКОСИСТЕМЫ СРЕДНЕГО ПОВОЛЖЬЯ

Специальность - 03.02.08 экология(биология)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Москва 2013

АПР 2013

005057657

Диссертация выполнена в ФГБОУ ВПО «Поволжский государственный технологический университет»

Научный руководитель: доктор биологических наук, профессор

Демаков Юрий Петрович

Официальные оппоненты: Черненькова Татьяна Владимировна

доктор биологических наук, профессор, ведущий научный сотрудник ФГБУ Центр по проблемам экологии и продуктивности лесов РАН

Черников Владимир Александрович

доктор с.-х. наук, профессор, профессор кафедры экологии ФГБОУ ВПО РГАУ-МСХА имени К.А.Тимирязева

Ведущая организация: ФБУ «Всероссийский научно-исследовательский институт лесоводства и механизации лесного хозяйства»

Защита состоится « 24 » апреля 2013 года в 14 час.30 мин. на заседании диссертационного совета Д 220.043.03 при Российском государственном аграрном университете - МСХА имени К.А. Тимирязева по адресу: 127550, г. Москва, ул. Прянишникова, д. 15.

С диссертацией можно ознакомиться в Центральной научной библиотеке РГАУ -МСХА имени К.А. Тимирязева.

Автореферат разослан «¿¡^у» марта 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

О.В. Селицкая

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы обусловлена необходимостью познания закономерностей изменения структурно-функциональной организации экосистем под воздействием усиливающегося с каждым годом техногенного загрязнения окружающей среды, совершенствования методического обеспечения системы экологического мониторинга, научного обоснования хозяйственных мероприятий по снижению последствий негативного влияния промышленных выбросов на состояние наземных экосистем и их отдельных компонентов. В полной мере это относится к лесным экосистемам как сложным самоорганизующимися динамическим открытым системам. Факторы, определяющие состояние лесных экосистем, действуют комплексно, часто синергически, поэтому для оценки их состояния необходим системный подход, который в исследованиях иногда отсутствует.

В настоящее время детально изучены последствия воздействия на лесные экосистемы аэротехногенного загрязнения от металлургических и химических предприятий (Кулагин, 1985; Ярмишко, 1994; Черненькова, 2002; Мартынюк, 2009; Фомин, 2011), подробно рассмотрено влияние на них выбросов цементных заводов (Бериня и др., 1985; Армолайтис и др., 1995; Шелухо, 2003, УаИег й а!., 2011). Особенности же влияния на лесные экосистемы силикатного производства, продукция которых крайне востребована в современных условиях в связи с активным градостроительством, изучено не так подробно. Недостаточно изученным является также вопрос о миграции химических элементов в лесных экосистемах при загрязнении окружающей среды кальцийсодержащими выбросами.

Цель: проведение комплексного экологического исследования с оценкой влияния длительного загрязнения среды аэротехногенными выбросами представительного силикатного производства на состояние сосновых экосистем Среднего Поволжья и выявить закономерности изменения ее структурной организации.

Для ее реализации решались следующие задачи:

1. Выявить зольный состав пылевых выбросов представительного силикатного производства и закономерности формирования ареала их распространения.

2. Изучить регионально-типологические особенности изменения физико-химических показателей верхних горизонтов почвы и их взаимосвязь с накоплением промышленных поллютантов в различных тканях деревьев сосны обыкновенной.

3. Оценить характер воздействия пылевых выбросов представительного силикатного производства на состояние, рост и восстановительный потенциал ценопопуляций сосны, произрастающих на рыхло-песчаных дерново-слабоподзолистых почвах Среднего Поволжья.

4. Выявить регионально-типологические закономерности изменения структурной организации подпологовой растительности и почвенной мезофау-ны под действием выбросов представительного силикатного производства в сосновых экосистемах, произрастающих на техногенный почвах.

Научные положения, составляющие предмет защиты:

1. Длительные пылевые выбросы представительного силикатного производства способствуют значительному улучшению лесорастительных свойств рыхло-песчаных дерново-слабоподзолистых почв, сформированной на флюви-огляциальных песках, с образованием нового дерново-карбонатного техногенного горизонта.

2. Воздействие щелочного загрязнения приводит к существенному изменению структурной организации подпологовой растительности и почвенных беспозвоночных по сравнению с фоновым уровнем, отрицательно оно повлияло на лихенофлору, которая в районе действия силикатного производства практически отсутствует на расстоянии 350-400 м от него, но не сказалось существенным образом на состоянии ценопопуляции сосны и величине годичного прироста деревьев, произрастающих на техногенный почвах.

Научная новизна. Впервые для Республики Марий Эл и Среднего Поволжья проведены комплексные экологические исследования с оценкой влияния длительного загрязнения среды аэральными выбросами представительного силикатного производства на состояние сосновых экосистем, произрастающих на рыхло-песчаных дерново-слабоподзолистых почвах. Результаты исследований показали, что в ареал распространения пылевых выбросов силикатного производства небольшой: стабилизация объема выпадающей пыли и массы большинства входящих в ее состав химических элементов, основными из которых являются кальций и стронций, происходит на расстоянии 400-700 м от источника загрязнения. Результаты комплексного экологического исследования показали неоднозначное влияние известкового загрязнения на различные компоненты сосновых экосистем. Так, щелочные выбросы способствуют в сосновых экосистемах нейтрализации среды, улучшению лесорастительных свойств, изменению химического состава коры и древесины, хвои деревьев сосны. Установлено, что подщелачивание окружающей среды привели к существенному изменению таксономического и типологического разнообразия подпологовой растительности и комплекса почвенной мезофауны загрязненной территории по сравнению с фоновым уровнем, но не сказалось существенным образом на со-

стоянии эдификатора, его способности к росту и самовосстановлению. При проведении исследований выявлены новые для республики Марий Эл виды организмов: два вида лишайников, 16 видов пауков и два вида наземных моллюсков.

Практическое значение исследований заключается в выделении индикаторов, которые могут быть использованы при ведении экологического мониторинга в зоне воздействия силикатного производства.

Обоснованность выводов и достоверность результатов исследований обеспечивается большим объемом экспериментального материала, собранного и обработанного с использованием стандартных методов экологии и математической статистики.

Личный вклад автора заключается в постановке цели и задач исследования, разработке его программы, сборе, обработке и анализе эмпирического материала, формулировании выводов и основных положений диссертации.

Апробация работы. Основные результаты исследований доложены на региональных, всероссийских и международных научно-практических конференциях: «Второй Всероссийской (с международным участием) полевой школы по почвенной зоологии и экологии» (Пенза, 2011); «Лесное хозяйство России: состояние, проблемы, перспективы инновационного развития» (Казань, 2011); «Найновите научни постижения - 2012» (София, 2012); «Aktuální vymozenosti vedy - 2012» (Прага, 2012), «Aplikované védccké novinky - 2012» (Прага, 2012), «Nauka: teoría i praktyka - 2012» (Пшемысль, 2012), «Теоретические и прикладные проблемы науки и образования в 21 веке» (Тамбов, 2012); «Татищевские чтения: актуальные проблемы науки и практики» (Тольятти, 2012); а также на ежегодных внутривузовских научных конференциях и заседаниях кафедры управления природопользованием и лесозащиты Марийского государственного технического университета.

Публикации. Основные положения диссертации изложены в 15 научных работах, семь из которых опубликованы в изданиях, рекомендованных ВАК Российской Федерации.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов и списка литературы, включающего 366 источников, в том числе 47 на иностранном языке, и 32 приложений (на 87 стр.). Работа изложена на 272стр. машинописного текста, из них основная часть составляет 152 стр., иллюстрирована 81 таблицами и 22 рисунками.

нову (заповедник «Большая Кокшага») - по оценке состояния подпологовой растительности, канд. с.-х. наук A.B. Исаеву (заповедник «Большая Кокшага») и к.б.н. И.И. Митяковой (ПГТУ) - по исследованию почв, к.б.н. Ю.П. Красно-баеву (Жигулевский заповедник им. И.И. Спрыгина), к.б.н. В.А. Матвееву (МарГУ), к.б.н. Т.Г. Стойко (Пензенский ГПУ им. В.Г. Белинского), м.н.с. А.Н. Чемерису (Томский ГУ), а также сотрудникам Зоологического института РАН, д.б.н. Б.А. Коротяеву, д.б.н. С.Ю. Синеву, д.б.н. А.Г. Кирейчуку, д.б.н. М.Ю. Мандельштаму, к.б.н. Д.А. Талону, Б.М. Катаеву, A.B. Ковалеву и А.Г. Мосей-ко - за содействие в идентификации таксономической принадлежности различных групп беспозвоночных животных, ст. лаб. Швецову С.М. (ПГТУ) - за проведение анализов зольного состава почв, древесины, коры и хвои деревьев сосны.

Работа выполнена в рамках федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы по Государственному контракту от 20 сентября 2010 г. № 14.740.11.0423.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ 1. Состояние вопроса

Техногенное воздействие человечества на окружающую его среду, резко возросшее во второй половине XX столетия, приобрело глобальный характер. Большой массив публикаций посвящен изучению влияния техногенного загрязнения на лесные экосистемы. Множество работ посвящено изучению влияния промышленного загрязнения на почву поллютантами кислой природы (Окон-ский и др., 1996; Копцик и др., 2001; Zhideeva at al., 2002; Воробейчик, 2003; Дороничева, Мартынюк, 2008; Яшин и др., 2010; Медведева, Яковлев, 2011), однако влияние щелочного загрязнения изучено не так подробно (Бериня и др., 1985; Армолайтис и др., 1995; Шелухо, 2003, Макаров, 2007, Valter et al., 2011).

Важное место в системе экологического мониторинга занимает древостой. Техногенная трансформация этого важнейшего элемента при токсическом загрязнении среды влечет необратимые изменения всей структуры экосистемы, поэтому он является одним из наиболее информативных объектов биомониторинга (Ярмишко, 1994; Савич и др., 2000; Черненькова, 2002; Шелухо, 2003; Наумов, Бардачева, 2008; Фомин, 2011; Усольцев и др., 2012). Хвоя у хвойных пород хорошо аккумулирует промышленные поллютанты, которые отрицательно сказываются на продолжительности жизни и морфометрических параметрах (Автухович, 1999; Рунова, 1999; Коровин и др., 2003; Павлов, 2007; Мартынюк, 2009; Шубина и др., 2010; Тарханов, 2011). Индикационные возможности коры и древесины у хвойных пород изучены гораздо слабее (Ниль-

сон, Мартин, 1984; Какарека, 1996; Черненькова, 2004; Копцик и др., 2008). По мнению многих авторов, травяно-кустарниковый ярус также чутко реагирует на промышленное загрязнение среды (Воробейчик и др., 1994; Мазная, 2003; Бак-кал, Горшков, 2005; Шелухо, 2003; Ефимова, 2007; Соромотин, 2008). Благодаря особенностям своего анатомо-морфологического строения мхи и лишайники обладают большой чувствительностью к загрязнению среды промышленными поллютантами, поэтому они являются одними из наиболее информативных и чутких структурных элементов в природных экосистемах (Мартин, 1985; Winner, 1988; Scott, Hutchinson, 1990; Бязров, 2002; Martynyuk, 2006; Гапеева и др., 2010; Отнюкова и др., 2012). В качестве информативных объектов биомониторинга загрязнения природной среды большую популярность среди исследователей приобрели почвенные и дендрофильные водоросли (Кабиров, 1997; Черненькова, 2002; Дубовик, 2003; Сафиуллина и др., 2009).

Достаточно подробно освещено влияние промышленного загрязнения на почвенную мезофауну, особенно детально рассмотрено на примере жесткокрылых (Криволуцкий, 1994; Воробейчик и др., 2012; Eijsackers, 2001; Ettema, War-die, 2002; Ермаков, 2004; Berg, Bengtsson, 2007; Гонгальский и др., 2010). Среди почвенной биоты наиболее слабо изучено влияние техногенного загрязнения на паукообразных и сообщества наземных моллюсков (Штернберге, 1985; Wilczek, Migula, 1996; Gunnarsoson, 2000; Shaw et al., 2003; Зенкова, Валькова, 2008; Ta-насевич и др., 2009; Золотарев, 2009).

2. Объекты и методика исследований

Объектом исследования являлся массив соснового леса, расположенный в квартале 27 Силикатного участкового лесничества с северной стороны Марийского завода силикатного кирпича (Республика Марий Эл), произрастающего на связно-песчаной дерново-слабоподзолистой почве, сформированной на флювиогляциальных песках (рис. 1). Тип лесорастительных условий переходный от сухого к свежему бору (А|.2). В диссертационной работе описаны особенности производства силикатного кирпича, состав выбросов и природные условия объекта исследования. В данном биотопе на разном удалении от источника загрязнения было заложено девять учетных лент на расстоянии от 80 до 1500 м, на которых проведена оценка массы и состава пылевых выбросов, физико-химических параметров органо-минерального горизонта и почвы, зольного состава древесины, коры и хвои деревьев сосны обыкновенной, состояния древостоя, структурной организации подпологовой растительности и почвенной мезофауны. Учетные ленты были объединены в четыре зоны по степени их загрязнения: 1 - зона максимального загрязнения (80-130 м от источника

загрязнения), 2 - зона умеренного загрязнения (190-280 м), 3 - зона слабового загрязнения (340-390 м) и фоновый участок (1500 м).

Рис. 1.Карта объекта исследования в Европейской части России и схема расположения учетных лент в сосновом лесу.

Для оценки химического состава выбросов и ареалов распространения пыли были использованы полотнища хлопчатобумажной ткани, которыми обвязывали на высоте 2,5-3 м стволы деревьев, расположенных на разном удалении от источника загрязнения (в трех повторностях). Содержание золы и зольных элементов (Са, Ре, К, Мп, Zn, Бг, РЬ, Сг, Си, Со, №, Сё) оценивали также в образцах органо-минерального горизонта, почвы, древесины, коры и хвои деревьев сосны. Анализ проводили на атомно-абсорбционном спектрометре ААпа1у§1 400. Пробоподготовку образцов и процедуру химического анализа проводили по типовым методикам.

На всех учетных лентах брали в пятикратной повторности пробы органо-минерального горизонта вместе с моховым покровом в виде почвенного монолита размером 10x10 см, очищенного от минерального слоя. Массу выпавшего загрязнителя оценивали по формуле: М3= Мп - Морг,- М„ф., где М3 - масса выпавшего загрязнителя, кг/м2; М„ - абсолютно сухая масса органо-минерального горизонта и мхов, кг/м2; Морг. - масса органического вещества (потери при прокаливании) в органо-минеральном горизонте кг/м2; Ммф. - масса минеральной части органо-минерального горизонта на фоновом участке, кг/м2. На расстоя-

нии 80 м от источника загрязнения и на фоновом участке были заложены почвенные разрезы до глубины 1,5 м и проведено их морфологическое описание. На расстоянии 110, 190, 280, 340 и 390 м от источника загрязнения сделано по 5 прикопок, расположенных способом конверта. В центральной прикопке до глубины 50 см проводили описание почвенного профиля. Образцы почвы для определения ее физико-химических показателей брали по профилю пошагово предварительно убрав органо-минеральный горизонт из слоев 0-5, 20-25, 40-45, 60-65, 80-85 и 95-100 см (на прикопках из слоев 0-5 и 20-25 см). Оценка параметров органо-минерального горизонта и почвы проведена по ОСТ 56-81-84. Для определения физико-химических свойств почв использовали стандартные методики (ГОСТ 26483-85; ГОСТ 26212-84; ГОСТ 26213-84; ГОСТ 26487-85). Гранулометрический состав исследовали на лазерном анализаторе размера частиц «ANALYSETTE 22» MicroTecPlus. Показатель pH вытяжки органо-минерального горизонта, почвы и коры деревьев оценивали при помощи рН-тестера и электрода Cheker by Hanna.

Оценку состояния древостоя на учетных лентах проводили на круговых учетных площадках площадью 100 м2 в пяти повторностях (Тябера, 1984). Деревья делили на возрастные поколения и категории санитарного состояния. На каждой ленте был проведен также учет численности и состояния подроста, который делили на 2 класса по высоте и 4 класса по состоянию. Количество всходов сосны определяли на 20 пробных площадках размером 1x1 м на каждой учетной ленте. Учитывали количество и диаметр валежа. Проводили с помощью бурава Пресслера также отбор керпов древесины у сосны первого и второго поколения на высоте 50 см от поверхности почвы в 8-кратной повторности (всего 112 кернов). У 25 деревьев, произрастающих на трассе ЛЭП на различном удалении от источника загрязнения, провели измерение годичного прироста в высоту за весь период их жизни (28-35 лет). В качестве контроля (фона) были выбраны 30-летние культуры сосны, находящиеся от источника загрязнения на расстоянии 1100 м к северо-западу. На трассе ЛЭП на разном расстоянии от источника загрязнения проводили отбор образцов хвои с пяти срубленных деревьев, у которых из центральной части кроны было взято по пять веток. Оценку степени повреждения хвои проводили по 7-балльной шкале (Ярмишко, 2005) на основе осмотра 100 пар хвоинок. На каждой учетной ленте при помощи охотничьей высечки взяты также образцы коры. Оценку состояния подлеска в пределах каждой учетной ленты, включающего численность и класс жизнеспособности, проводили на пяти круговых пробных площадках, а травянистых растений - на 20 пробных площадках размером 1x1 м (всего 360 площадок) Оценку состояния видового состава мохообразных, лишайников, водоросли Trentepohlia sp. в пределах каждой учетной ленты проводили на пяти круговых

пробных площадках стандартными методами, применяемыми в биогеоценоло-гии.

Отлов почвенной мезофауны проводили при помощи ловушек Барбера (Гиляров, 1965), установленных в количестве пяти шт. на каждой учетной. Сбор из ловушек проводили 2 раза в месяц в течение 3-х сезонов (2010-2012 гг.). В качестве фиксирующей жидкости в ловушках использовали 4 % раствор формалина. Для учета сообщества наземных моллюсков в пределах каждой учетной ленты брали пробы органо-минерального горизонта на пяти площадках размером 25x25 см. В общей сложности отобрано 45 проб органо-минерального горизонта, осуществлено 1200 сборов из почвенных ловушек за 18630 ловушко-суток, отловлено и идентифицировано 33672 экз. беспозвоночных.

Для количественной оценки структурной организации травяного покрова и сообществ почвенной мезофауны использовали индексы биоразнообразия, широко применяемые в биогеоценологии (Песенко, 1982; Мэгарран, 1992). Цифровой материал обработан на ПК с использованием пакетов стандартных программ Ехзе! и 81а11з(лса 6.

3. Ареал распространения пылевых выбросов и содержание зольных элементов в различных средах

Основным загрязняющим среду элементом является, исходя из специфики производства, кальций, содержание которого в образцах хлопчатобумажной ткани, провисевших на стволах деревьев на расстоянии 80 м от источника загрязнения в 172,5 раза выше, чем на фоновом участке (табл. 1). На втором месте по превышению концентрации над фоном находится стронций (в 72,8 раза). Содержание остальных металлов в ткани на прилегающем к источнику загрязнения участке в 2,4...7,2 раза выше по сравнению с фоновым уровнем. Стабилизация концентрации большинства элементов происходит на расстоянии 400700 м от источника загрязнения. Из данного ряда элементов выпадают хром, марганец и никель.

Выбросы представительного силикатного производства привели также к существенному изменению в сосновых экосистемах почвенного покрова. Главным отличием является образование под действием загрязнения мощного техногенно измененного органо-минерального горизонта и нового карбонатно-техногенного горизонта серой окраски мощностью до 10 см, под которым погребен прежний гумусовый слой. Масса нового карбонатно-техногенного горизонта на расстоянии 80 м от источника загрязнения составляет 42,51; 100 м -20,43; 110м- 34,17 и 130 м - И,24 кг / 1м2 соответственно. Общая масса органо-минерального горизонта, содержание в ней органических веществ (потери

при прокаливании) и загрязняющих веществ изменяются по градиенту загрязнения куполообразно с максимумом на расстоянии 190 м от источника загрязнения, зольность же ее, значение рН и содержание многих зольных элементов неуклонно снижаются по мере удаления от источника загрязнения (табл. 2).

Таблица 1 - Изменение по градиенту загрязнения содержания зольных элементов в образцах хлопчатобумажной ткани, провисевших на стволах деревьев

Элемент Фоновое содержание, мг/кг Содержание элементов в образцах ткани по отношению к фону на разном удалении от источника загрязнения, доля единиц

80 м 130 м 190 м 280 м 340 м 390 м

Са"+ 238,9 172,5 79,0 50,9 45,7 31,6 13,6

Sr1* 0,50 72,8 22,0 19,2 13,1 4,56 4,78

Со 0,16 7,19 2,99 2,61 2,17 1,61 1,55

CdJ+ 0,06 6,30 2,65 2,28 2,05 1,81 1,47

Fe 47,4 6,23 3,32 2,52 2,19 1,50 1,39

Pb 0,45 4,88 2,27 2,05 1,74 1,25 1,37

Mn-' 2,17 4,74 3,96 2,95 5,24 3,25 4,44

Ni 0,12 4,47 2,12 1,89 1,67 5,66 1,21

In1* 1,17 4.40 3,44 2,50 2,63 1,78 2,67

K + 31.1 2,54 2,27 1,66 1,36 1,03 1,43

Cu 0,77 2,42 2,03 1,19 1,42 1,26 1,01

Таблица 2 - Количественный анализ изменения параметров состояния органо-

минерального горизонта по мере удаления от источника загрязнения

Параметр Расстояние Уравнение зависимости изменения параметров от расстояния до источника загрязнения R2

80м 1500 м

Масса, кг/м2 16,0 4,0 У = 100-Х / (29,55- X2 - 4,73 X + 0,73) 0,872

Зольность, % 76,5 43,1 У = 31,86-ехрГ-2,25-(Х - 0,08)1 +41,90 0,960

Минеральная часть, кг/м" 12,2 1,7 У = 13,08ехр[-1,91 -(Х-0,08)] + 0,57 0,788

ППП. кг/м2 3,8 2,3 У = Х/(2,31- Х2-0,71 Х +0,08)+ 2,0 0,903

МВЗ, кг/м2 10,5 0,0 У = 100-Х / (66,17-Х2 - 10,92 X + 1,31) 0,854

рН (водный) 7,78 6.358 У = 1,41 ехр[-1,63-(Х - 0,08)1 + 6,35 0,957

Валовое одержа-ние Саг/кг 51,42 3,22 У = 57161,2-ехр[- 2,36-(Х -0,08)] + 845,16 0,951

К. , мг/кг 154.8 406,3 У = 173,34 Х+146,32 0,968

Мп*+, мг/кг 44,1 406,6 У = 256,46 X + 36,98 0,917

Sr2+. мг/кг 11,1 1,76 У = 9,97-ехр[-3,63-(Х-0,08)1 + 1,68 0,977

Zrr*. мг/кг 7,57 24,3 У= 11,12 Х +8,05 0,763

Со2+, мг/кг 2,22 0,86 У = 1.41 -ехр[-4,11 (X - 0,08)] +0,87 0,967

Cd2+, мг/кг 0,67 0,47 У = 0,24-ехр[-8,91-(Х - 0,08)1 + 0,45 0,909

Примечание: ППП - потери при прокаливании. МВЗ - масса выпавшего загрязнителя. X - расстояние от источника загрязнения, км; Я2 - коэффициент детерминации уравнения.

Содержание в органо-минеральном горизонте свинца, меди и никеля флуктуирует по градиенту загрязнения и связано, скорее всего, с естественной неоднородностью биотопов и ошибками измерения, нежели с деятельностью силикатного производства.

Под влиянием выбросов силикатного производства произошли значительные изменения физико-химических параметров почв. Так, в зоне наибольшего загрязнения увеличилось, по сравнению с фоновым уровнем, содержание почти по всему почвенному профилю органического вещества, а также связанных с этим значений рН, обменных оснований, особенно кальция, и степени насыщенности ими. Значение же гидролитической кислотности почвы под влиянием известкового загрязнения заметно снизилось, а содержание подвижных форм фосфора и калия изменилось очень слабо. Под влиянием выбросов значительно изменилось валовое содержание в верхних слоях почвы многих зольных элементов (рис. 2), концентрация которых в зоне наибольшего загрязнения увеличилась по сравнению с фоном многократно. Особенно сильно возросла концентрация кальция (в 341 раз!), а также хрома и стронция, на фоновом участке не обнаруженных, что с высокой точностью описывают в градиенте загрязнения соответствующие уравнения регрессии (Са2+: У= 172445,0-ехр[-5,05-(Х-0,08)], Я2=0,955; Сг3+: У=32,73-ехр[-5,78-(Х-0,08)], Я2=0,980; 8г2+: У=26,55-ехр [-6,09-(Х - 0,08 )]; 112=0,981). Содержание всех зольных элементов в верхних горизонтах почвы закономерно изменяется по градиенту загрязнения.

Таким образом, пылевые известковые выбросы способствуют улучшению лесорастительных свойств песчаных почв, изменяя их физические свойства, повышая, в частности, водопоглотительную способность, воздействуя при этом на верхний слой почвы до глубины 30-40 см, где отмечено образование нового дерново-карбонатного техногенного горизонта, влагоемкость которого составляет примерно 40 %, (на фоновом участке влагоемкость почвы на этой же глубине равна 7 %). Негативным моментом является, однако, привнос с выбросами соединений стронция и хрома.

На загрязненной территории изменился также химический состав коры и древесины, а особенно хвои деревьев сосны. Содержание в древесине золы и большинства зольных элементов значительно ниже, чем в хвое и коре. Исключением являются лишь стронций и кадмий, которых в древесине содержится больше, чем в хвое. В древесине, по сравнению с корой, больше содержится калия и цинка. Наиболее значительно повысилась в хвое, по сравнению с фоновым уровнем, концентрация стронция, кальция и кадмия. Вблизи источника загрязнения повышено также содержание в хвое железа, цинка и свинца. Повышенное содержание в почве кальция и стронция вблизи источника загрязнения приводит к резкому снижению концентрации во всех тканях деревьев сосны

(хвое, коре и древесине) марганца, который является, исходя из этого, хорошим индикатором известкового загрязнения среды. Лучшими индикаторными способностями по оценке ответных реакций деревьев на загрязнение окружающей среды обладает хвоя деревьев.

I I

0-5 20-25 40-45 60-65 80-85 95-100

т.га.грщ,

0-5 20-25 40-45 60-65 80-85 95-100

50 40 30 -20 10 0

И ф-Мп 2+ НМп 2+

ГЬ , Пп , П® , Гк

0-5 20-25 40-45 60-65 80-85 95-100 °"5 20"25 40"45 60"65 80"85 95-100

П ф-1'Ь 2- □ 1'Ь 2+

| Ш | ягШ | гвШ | пгтаз | пата 0-5 20-25 40-45 60-65 80-85 95-100

■ ф-Со 2+ Ш Со 2+

и ПЯЬп ИИ ивь™

0-5 20-25 40-45 60-65 80-85 95-100

5 6

Рис. 2 . Валовое содержание зольных элементов в почве на фоновом участке (ф-Ме п+) и в зоне максимального загрязнения (Ме п+): 1 — Бе 2+, 2 - К +, 3 -Мп ~ , 4 - Ъл 2+, 5 - РЬ2п, 6- Со 2+ (по оси абсцисс - глубина почвы, см, ординат - валовое содержание элементов, мг/кг).

4. Экологическая оценка влияния длительного известкового загрязнения на растительный покров

Ценопопуляция сосны на объекте исследования разновозрастна и состоит из нескольких поколений деревьев, численность которых и полнота изменяются по градиенту загрязнения определенным образом (табл. 3, рис. 3). Результаты исследований свидетельствуют о том, что известковое загрязнение отражается в общем-то положительно на процессе естественного возобновления сосны: в зоне максимального известкового загрязнения, несмотря на высокую полноту древостоя, наблюдается большая численность всходов, которая по мере удаления от источника загрязнения постепенно уменьшается (исключением является учетная лента на расстоянии 390 м от источника загрязнения, примыкающая к ЛЭП и имеющая наименьшую полноту). Об этом убедительно свидетельствует также появление на трассе ЛЭП после ее разрубки спустя 25-30 лет после пуска силикатного производства естественных молодняков, состояние которых сейчас в целом хорошее. Количество валежа по мере удаления от источника загрязнения колеблется от 6,0 до 37,3 м3/га и его распределение носит случайный характер, свидетельствующий об отсутствии связи с интенсивностью загрязнения.

Таблица 3 - Изменение численности разных поколений ценопопуляции сосны

по градиенту известкового загрязнения

Расстояние, м Численность разных поколений ценопопуляции сосны, тыс. экз./га

Всходов Подроста разной высоты Деревьев разных поколений

0-0,5 м 0,5-1,5 м III II I

80 4.25 3,28 4.52 5.80 0,64 0,16

100 19,0 0,42 0,28 1,44 1.34 0,04

110 27.0 2.86 1,42 0,18 0,72 0,06

130 21,0 0,08 0,0 0.54 0,96 0,06

190 21,5 0,0 0.04 0,32 1,02 0,06

280 12,5 0,0 0,02 0.60 1,08 0,04

340 17,0 0.0 0,0 0,36 1,14 0,08

390 43.0 0,48 0,26 0,86 0,36 0,14

Фон - 1500 12,0 0,0 0,0 0,16 0,72 0.08

Результаты проведенного исследования показывают, что величина годичного прироста деревьев сосны в высоту и толщину зависит от времени их появления, степени удаленности от источника загрязнения и биоценотического окружения. Так, прирост деревьев, появившиеся спустя 20-30 после пуска предприятия на свободной от леса загрязненной территории, выше, чем на фо-

новом участке. Угнетающе действует на рост деревьев лишь очень сильное загрязнение известковой пылью, которое отмечается на расстоянии до 100 м от источника загрязнения. Старые деревья в сосновых экосистемах начинают после пуска силикатного производства снижать годичный прирост, т.к. не могут адаптироваться к избыточному поступлению известковой пыли. Годичный прирост деревьев второго поколения, возникших в сосняках незадолго до пуска предприятия, наиболее высок на фоновом участке, однако на прилегающих к источнику загрязнения полосах леса он лишь немногим ниже.

1500 м 390 м 340 м 280 м 190 м 130 м 80 м Расстояние от завода

Рис. 3. Изменение абсолютной полноты древостоя на объекте исследования

Морфометрические параметры хвои изменяются по мере удаления от источника загрязнения незначительно и в целом бессистемно. Так, длина и масса однолетней хвои наибольших значений достигают на расстоянии 340 м от источника загрязнения, а двух- и трехлетней - на 100-130 м. Степень повреждения хвои в пределах всей трансекты в целом очень низкая.

Структура травяно-кустарникового яруса сосновых экосистемах в зоне воздействия аэральных выбросов силикатного производства претерпевает существенные изменения, которое способствует появлению и развитию ряда видов, часть из которых занесена в Красную книгу России и Республики Марий Эл ('ЫеоШаМИе сиси1Ша и ОшМ/гия кгуЬу^апш). Под действием длительного известкового загрязнения увеличивается густота ивы розмаринолистной (У=1,9-ехр [-11,4 (Х - 0,08)]; 112=0,968), которая отсутствует на учетной ленте №8 и на фоне. Травяной покров на объекте исследования представлен 50 видами, относящимися к 43 родам и 20 семействам (на фоновом участке встречается 31 вид). В таксономическом плане наиболее представительными являются два семейства: /\sieraceae и Роасеае. Известковое загрязнение среды в целом положительно повлияло на видовое богатство травяного покрова. Так, в зоне максимального загрязнения встречается 37 видов, во второй - 35, в третьей - 34, а на фоновом участке - 31 вид трав. Наиболее массовыми видами в первом их них

являются Antennaria dioica, Solidago virgaurea, Hieracium umbellatum, а во втором Festuca ovina и Calamagrostis arundinacea, которые встречаются повсеместно. Положительно реагируют на известковое загрязнение также Convallaria majal is, Campanula rotundifolia, Antennaria dioica, Pimpinella saxífraga, Mélica nutans, Luzula pilosa, Libanotis montana, Calamagrostis epigeios и Arctostaphylos uva-ursi, Viola canina, а отрицательно - Solidago virgaurea, Hieracium umbellatum, Achyrophorus maculatus, Centaurea marschalliana, Hieracium echioides, Pulsatilla multifida и Polygonatum odoratum. Довольно индифферентны к выбросам силикатного производства Pulsatilla patens, Veronica spicata, Viola hirta, Calamagrostis arundinacea. Изменение встречаемости трех видов растений (Dianthus hylovianus, Molinia caerulea и Carex ericetorum) отображается куполообразной кривой с максимумом на расстоянии от 190 до 390 м от источника загрязнения. Пылевое известковое загрязнение не влияет существенным образом на характер распределения растительности по эколого-ценотическим группам, способствуя появлению лишь единичных видов-гигромезофитов, клубнеобразующих и надземностолонных трав, травянисто-болотной и неморальной свит, которые отсутствуют на фоновом участке.

Флора мхов на объекте исследования представлена 44 видами, относящимися к 11 семействам и 34 родам. Печеночников обнаружено четыре вида (Chiloscyphus polyanthos, Lophocolea heterophylla, Ptilidium pidcherrimum, Radula complanata), каждый из которых представлен разными родами. На фоновом участке бриофлора представлена 16 видами мхов и 3 видами печеночников. Наиболее представительной в лесной экосистеме является экологическая группа мхов, развивающихся на почве. Многолетние выбросы силикатного производства существенным образом изменяют структуру бриофлоры сосновых экосистем: снижают степень проективного покрытия почвы мхами (от 45 до 1,4 %), но увеличивают их видовое богатство, максимум которого у эпифтных видов отмечается на расстоянии 100 м от источника загрязнения, валежниковых - 130 м, а на почве - 280 м. В зоне известкового загрязнения массовыми являются Pylaisia polyantha (на коре деревьев), Brachythecium salebrosum и Thuidium recognitum (на почве), Drepanocladus polygamus, Brachythecium salebrosum и Campylidium sommerfeltii (на валеже). На фоновом участке на почве Pleurozium schreberi, а на валеже - Pleurozium schreberi, Dicraniim polysetum и Dicranum scoparium. Известковое загрязнение привело к образованию особого субстрата в прикомлевой части стволов деревьев, на котором формируется специфическая структура сообщества мохообразных, где массовыми видами на южной стороне ствола являются Drepanocladus polygamus и Barbula unguiculata, а на северной -Drepanocladus polygamus, Amblystegium serpens, Campylidium sommerfeltii, Ser-poleskea subtilis и Barbula unguiculata.

Лихенофлора, на которую выбросы известковой пыли повлияли крайне негативно, которая представлена на объекте исследования 58 видами, из них 17 видов встречается на расстоянии 80-390 м от источника загрязнения, а на фоновом участке - 51 вид. Два вида лишайников - Scoliciosporum umbrinum и Stran-gospora pinícola - впервые обнаружены на территории Республики Марий Эл. Лишайники начинают увеличивать свое присутствие лишь с расстояния 350400 м от источника загрязнения. Устойчивыми к загрязнению являются Le-canora hagenii, Verrucaria sp. и Gyalecta sp. Лишайники рода Verrucaria sp. и Gyalecta sp., которые являются эпилитами и кальцефилами, не формируют в данных условиях характерный для них таллом и не имеют развитых спор в плодовых телах. Причина этого явления связана с тем, что покрытая известью кора постоянно осыпается, не позволяя лишайникам развиваться в той степени, как это они делают на камнях. В условиях длительного известкового загрязнения среды вместо исчезнувших эпифитных лишайников на стволах деревьев сосны появляется водоросль Trentepohlia sp., которая образует на коре обильные по-рошковатые скопления кирпично-красного цвета, а на почве, органо-минеральном горизонте и валеже - колонии цианобактерий Nostoc sp.

5. Изменение структуры населения почвенной мезофауны под действием аэротехногенного загрязнения

Загрязнение среды выбросами силикатного производства привело к существенному изменению структурной организации и численности почвенных беспозвоночных, а также увеличению их видового разнообразия по сравнению с фоновым уровнем. Наиболее богата на объекте исследования фауна жесткокрылых (121 вид, 27 семейств, 98 родов) и пауков (115 видов, 17 семейств и 65 родов). На объекте исследования встречены также два вида сенокосцев, полужесткокрылые (7 видов, 4 семейства, 6 родов) и 11 видов наземных моллюсков, относящихся к 9 родам и 9 семействам (рис. 4). На фоновом участке встречается 16 видов жуков (без учета видов семейства Staphylinidae), 2 вида клопов, один вид сенокосца, 21 вид пауков и 3 вида моллюска. В сборах отмечены находки 16 новых для Республики Марий Эл видов пауков (Agroeca lusatica, Ber-landina cinerea, Cheiracanthium erraticum, Euryopis laeta, Evansia merens, Lepthyphantes collimis, Nuctenea umbrático, Obscuriphantes obscurus, Sitticus zimmermanni Simón, Tarentula albofasciata, Titanoeca albomaculata, Walckaenaria monoceros, Walckaenaria clavicornis, Walckaenaria corniculans, Zelotes pumilus, Zelotes pusillus) и двух видов моллюсков (Discus ruderatus и Vértigo pusilla).

Анализ материалов сбора почвенной мезофауны показал, что наиболее представительной группой в их сообществе явились почвенные клещи, кото-

рых на объекте исследования было отловлено более 10 тыс. экз. При этом наибольшая их численность отмечалась в засушливом 2010 году, а в последующем она резко и неуклонно снижалась. Особенно сильно в 2011 году численность почвенных клещей снизилась в непосредственной близости от источника загрязнения (в 27,1 раза). В 2012 году после очень дождливого 2011 года их численность в основном также значительно сократилась, однако характер ее изменения был иной: на первых двух лентах она несколько увеличилась, что связано, возможно, с опушечным эффектом, а на последующих снизилась. Менее всего численность почвенных клещей сократилась на расстоянии 280 м от источника загрязнения. Характер изменения численности почвенных клещей по градиенту известкового загрязнения в каждом году, в зависимости от сложившихся погодных условий, имел свои особенности. Так, в 2010 и 2011 годах особенно много клещей обитало на расстоянии 130-190 м от источника загрязнения, а в 2012 году - на расстоянии 100 и 280 м.

Расстояние от источника загрязнения

Рис. 4. Изменение видового состава почвенных беспозвоночных по мере удаления от источника загрязнения

Второй по численности группой в сообществе явились сенокосцы, которых на объекте было отловлено 7046 особей, представленных всего двумя видами - ОсИеПиз \endli и РИа1ащшт орШо. Первый из них являлся абсолютным доминантом и в условиях Республики Марий Эл имел одногодичный цикл развития. Среди отловленных особей ОсНеИиэ 1еп<Ш явно преобладали самки, которые превосходили самцов по численности как на фоновом участке, так и в зоне загрязнения среды известковой пылью, что связано, на наш взгляд, с особенностями этологии вида. Уровень загрязнения среды кальцием не является фактором, оказывающим существенного влияния на численность сенокосца в сосновых экосистемах. Значительно большее влияние на это оказывало число мест для укрытия особей и выведения потомства, зависящее от структуры подполо-говой растительности и наличия крупных деревьев на конкретном участке леса.

Главным же фактором варьирования его численности, а также полововозраст-ной структуры популяции, являлись погодные условия. Реакция сенокосца Odi-ellus lendli на уровень загрязнения среды кальцием в разные по погодным условиям годы диаметрально противоположна. Так, в условиях засухи и жары наибольшее число особей отмечается в биотопах с наивысшим уровнем загрязнения. В условиях же влажного и прохладного сезонов оно наоборот увеличивается по мере удаления от источника загрязнения.

Фауна пауков представлена 3202 экземплярами особей (839 экз. нимф и 2363 экз. половозрелых особей: 649 самок и 1714 самцов). В таксономическом плане наиболее представительными являются четыре семейства: Linyphiidae (20 видов), Gnaphosidae (16), Salticidae (14), Lycosidae (13). По количеству отловленных особей доминирует семейство Lycosidae, составляющее 41,6% всей аранеофауны. Наиболее массовыми видами в этом семействе являются Tarentula aculeata, Trochosa terrícola, Xerolycosa nemoralis. Довольно часто встречаются также пауки Hahnia ononidum, Ozyptila praticola, Agyneta rurestris и Zelotes subterraneus. Общая численность этих семи видов пауков составляет 61,7 % всей аранеофауны половозрелых особей. Так, численность пауков Ozyptila praticola (Y =54,5-ехр-[- 13,1-(Х - 0,08)], R2=0,939), Agyneta rurestris, Euryopis flavomaculata и Theridion varians постепенно возрастает по мере приближения к источнику загрязнения, т.е. известковое загрязнение отражается на состоянии их популяций благоприятно. Отрицательно отреагировали на повышение щелочности среды Tarentula aculeata (Y = 95,9-Х1'63 + 18,1; R2=0,996) и Gnaphosa muscorum (Y =23,4-X1-23; R2=0,901), максимум численности которых отмечен на фоновом участке. Характер же изменения численности Hahnia ononidum, Trochosa terrícola, Zelotes subterraneus, Pardosa lugubris и Neón levis (Y=10-X / (29,7-X2 - 12,8-X +1,7; R2=0,798) отображается куполообразной кривой с максимумом на расстоянии 150-280 м от источника загрязнения. Исследования показали, что по градиенту загрязнения закономерно изменяется не только численность пауков, но и все параметры видовой структуры аранеофауны. Эту зависимость в высокой точностью отображают соответствующие уравнения регрессии. Так, видовое богатство (Y=35,0-exp[-0,33-(X-0,08)]; R2=0,662) и видовая насыщенность (Y=9,4exp-[- 0,35-(Х-0,08)]; R2=0,876) аранеофауны, а также индекс Маргалефа (Y= 6,74 - 2,04-Х; R2=0,707) неуклонно снижаются по мере удаления от источника загрязнения, индексы Симпсона-Гибсона, выравненное™ и Бергера-Паркера (Y=100-X / (25,0-Х2-5,0-Х + 0,76); R2=0,873 ) достигают максимума на расстоянии 180-200 м от него.

На объекте исследования за весь период наблюдений было отловлено 5417 экз. клопов. Установлено, что численность доминирующих видов полужесткокрылых закономерным образом изменяется по градиенту загрязнения. Так,

клопы вида Ligyrocoris sylvestris предпочитают селиться в наиболее загрязненной зоне, где их численность максимальна, а доля нимф минимальна. У вида Himacerus apterus, который встречался только в 2010 году, максимальная численность отмечена на расстоянии 150-200 м от источника загрязнения. Таким образом, длительные выбросы силикатного произвоства положительно повлияли на состояние популяций этих видов. Вид Eremocoris plebejus слабо отреагировал на загрязнение среды, однако и у него численность на фоновом участке минимальна. На численность клопов, как и других беспозвоночных, большое влияние оказывали погодные условия. Так, наибольшая их численность на объекте исследования была зафиксирована в 2010 г., в 2011 г. произошел ее значительный спад, а в 2012 г. - увеличение (у Ligyrocoris sylvestris - в 12,9 раза, у Eremocoris plebejus - в 8,0 раз). Засуха 2010 г. крайне негативно сказалась на популяции Himacerus apterus, которая на объекте исследования практически исчезла (в сборах двух последних лет были отмечены лишь единичные экземпляры).

Фауна жесткокрылых представлена 7278 экземплярами. Общая численность жуков и численность некоторых видов закономерно изменяются по градиенту известкового загрязнения. Так, к примеру, численность Strophosomus capitatus (Y= 135,6-ехр [-14,2-(Х-0,08)]+99,6; R2=0,765) и Otiorhynchus ovatus (рис. 6A; Y =488,0-ехр-[-3,5-(Х-0,08)]; R2=0,668) постепенно убывает по мере удаления от источника загрязнения, т.е. известковое загрязнение отражается на состоянии их популяций благоприятно. Отрицательно реагируют на повышение щелочности среды Carabus stscheglovi (Y=150, З-Х+7,7; R2=0,794) и Prosternon tessellatum (Y=43,l-X + 12,9; R2=0,878), максимум численности которых отмечен на фоновом участке. Эти четыре вида являются хорошими индикаторами известкового загрязнения. По мере удаления от источника загрязнения происходит постепенная перегруппировка одних массовых видов другими. На восьми учетных лентах, расположенных в различных зонах загрязнения, доминирует Otiorhynchus ovatus, однако его «вес» в общей численности всех жуков неуклонно снижается. На фоновом же участке доминирует Carabus stscheglovi (36,8 %), который начинает встречаться лишь с четвертой ленты. Вторым по численности видом на фоновом участке является долгоносик Strophosomus capitatus, который присутствует на всех учетных лентах и слабо изменяет долю своего участия в численности всей фауны жуков. В число массовых видов входит также опасный вредитель молодняков сосны - долгоносик Hylobius abietis, доля которого варьирует в пределах от 4,3 до 9,6 %. Четвертым по численности видом на учетных лентах № 1 и № 2 является Prosternon tessellatum, № 3 - Lon-gitarsus luridus, с № 4 по № 6 - Carabus stscheglovi.

На учетных площадках в общей сложности было собрано 357 экз. моллюсков, среди которых доминирует УаНота со$Ша (66,4 %), являющийся хорошим индикатором известкового загрязнения. Изменение плотности населения моллюсков и значений параметров видовой структуры малакофауны закономерно изменяются по градиенту загрязнения. Так, изменение плотности населения моллюсков по градиенту загрязнения описывается куполообразный кривой с максимумом на расстоянии 130 м от источника загрязнения (У=100 X / (4,2-Х - 1,1 X + 0,15); Я =0,736). Сходным образом изменяются значения видового богатства, видовой насыщенности (У=100 X / (92,1-Х2 - 26,4 X + 7,7); Я2=0,Ш) и индекса Симпсона-Гибсона (У=100 X / (20,8-Х2 - 4,1-Х + 8,7); Я'=0,992). Увеличение видового богатства моллюсков на расстоянии 280 м от источника загрязнения связано с увеличением проективного покрытия мохового покрова, под которым складываются благоприятные для многих видов улиток условия развития. Значение индекса Р-разнообразия (У=2,8 X0'819; Я"=0,992) и выравненное™ закономерно повышаются по градиенту загрязнения, а Бергера-Паркера - снижаются (У = 0,55-ехр[- 8,1-(Х - 0,08 )] + 0,27; Я2=0,900). Данные проведенных расчетов свидетельствуют, что загрязнение среды известкой пылью действует на моллюсков положительно, но лишь до определенной степени (рН=7,3-7,5). Это явление в полной мере вписывается в экологическое правило, известное под названием «доза-эффект».

ВЫВОДЫ

1. В пылевых выбросах представительного силикатного производства присутствует большой набор компонентов, основными из которых являются кальций и стронций. Ареал распространения большинства поллютантов небольшой: стабилизация объема выпадающей пыли и массы большинства входящих в ее состав химических элементов происходит на расстоянии 400-700 м от источника загрязнения. Данной закономерности не подчиняются только марганец и никель, концентрация которых наиболее велика на расстоянии 280-340 м от источника загрязнения.

2. Щелочные выбросы способствовали в сосновых экосистемах нейтрализации среды, повышению водопоглотительной способности и улучшению ле-сорастительных свойств рыхло-песчаных дерново-слабоподзолистых почвах Среднего Поволжья образованием нового дерново-карбонатного техногенного горизонта.

3. На загрязненной территории изменился химический состав коры и древесины, а особенно хвои деревьев сосны. Содержание в древесине золы и большинства зольных элементов значительно ниже, чем в хвое и коре. Исклю-

чением являются лишь стронций и кадмий, которых в древесине содержится больше, чем в хвое. В древесине, по сравнению с корой, больше содержится калия и цинка. Наиболее значительно повысилась в хвое, по сравнению с фоновым уровнем, концентрация стронция, кальция и кадмия. Вблизи источника загрязнения повышено также содержание в хвое железа, цинка и свинца.

4. Повышенное содержание в почве кальция и стронция вблизи источника загрязнения приводит к резкому снижению концентрации в хвое, коре и древесине марганца, который является, исходя из этого, хорошим индикатором известкового загрязнения среды. Лучшими индикаторными способностями по оценке ответных реакций деревьев на загрязнение окружающей среды обладает хвоя деревьев, однако для оценки химического состава выбросов пыли и ареала их распространения лучше всего использовать полотна хлопчатобумажной ткани, которыми обвязывают стволы деревьев на высоте 2,5-3 м.

5. Загрязнение среды выбросами силикатного производства привело, в целом, увеличению обилия и видового разнообразия травяно-кустарникового яруса, бриофлоры и почвенных беспозвоночных по сравнению с фоновым уровнем. Крайне негативно повлияли щелочные выбросы на лихенофлору, которая в районе действия силикатного производства практически отсутствует на расстоянии 350-400 м от него. На стволах деревьев сосны вместо исчезнувших лишайников появляется водоросль ТгеШерокИа ер., а на почве и валеже - колонии цианобактерий N03100 ер.

6. Весьма значительным фактором варьирования обилия многих видов растений и беспозвоночных являются погодные условия, которые часто перекрывают воздействие известкового загрязнения. Существенное влияние на численность беспозвоночных оказывает также число мест для их укрытия и выведения потомства, зависящее от структуры подпологовой растительности и наличия крупных деревьев.

7. Пылевые выбросы представительного силикатного производства привели к существенному изменению таксономического и типологического разнообразия подпологовой растительности и комплекса почвенной мезофауны на загрязненной территории по сравнению с фоновым уровнем, что свидетельствует о негативном воздействии данного загрязнения. Однако, известковое загрязнение не сказались существенным образом на состоянии эдификатора, его способности к росту и самовосстановлению, что свидетельствует о приспособительной реакции сосновых экосистем к подщелачиванию окружающей среды.

Список работ, опубликованных по теме диссертации

Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК РФ

1. Майшаиова М.И., Демаков Ю.П., Матвеев В.А., Ковалев A.B. Влияние длительного воздействия выбросов известковой пыли на фауну клопов и жуков соснового биогеоценоза // Известия ПГПУ им. В.Г. Белинского — 2011. — № 25 - С. 386-394.

2. Майшаиова М.И., Краснобаев Ю.П., Демаков Ю.П., Чемерис А.Н. Влияние длительного воздействия выбросов известковой пыли на фауну паукообразных соснового биогеоценоза // Известия Самарского научного центра РАН.-2012.-Т. 14-№ 1 - С. 112-119.

3. Майшаиова М.И., Богданов Г.А., Демаков Ю.П. Влияние выбросов силикатного завода на брио- и лихенофлору соснового биогеоценоза // Естественные науки. - 2012. - № 3 (40) - С. 66-73.

4. Майшаиова М.И. Стойко Т.Г., Демаков Ю.П. Влияние длительного известкового загрязнения на сообщество моллюсков соснового биогеоценоза // Вестник Волжского ун-та им. В.Н. Татищева. - 2012. - № 1 (9) - С. 215-224.

5. Майшаиова М.И., Богданов Г.А., Демаков Ю.П. Влияние аэральных выбросов силикатного производства на травяно-кустарниковый ярус соснового биогеоценоза // Вестник Волжского ун-та им. В.Н. Татищева. - 2012. - № 2 -С.136-142.

6. Демаков Ю.П., Майшанова М.И., Швецов С.М., Исаев A.B., Митяко-ва И.И. Влияние длительного воздействия выбросов завода силикатного кирпича на подстилку и почву соснового биогеоценоза// Вестник Волжского ун-та им. В.Н. Татищева.- 2012,- № 4 (13).- С. 46-58.

7. Демаков Ю.П., Швецов С.М., Майшанова М.И. Изменение зольного состава хвои, коры и древесины сосны в зоне выбросов завода силикатного кирпича // Вестник ПГТУ. Серия «Лес. Экология. Природопользование» - 2012. -№ 1 - С. 85-95.

Статьи и тезисы в сборниках научных трудов

8. Майшанова М.И. Влияние длительного воздействия выбросов известковой пыли на наземных членистоногих соснового биогеоценоза // Лесное хозяйство России: состояние, проблемы, перспективы инновационного развития: матер. Всерос. науч.-практич. конф., посвященной 85-летию Восточноевропейской лесной опытной станции. - Казань: РИЦ, 2011. С. 110-116.

9. Майшаиова М.И. Изменение фауны пауков под воздействием выбросов завода силикатного кирпича // Исследования, технологии, инновации: Сб. ста-

тей проф.-препод. состава, доктор., асп. и студ. по итогам науч.-технич. конф. МарГТУ в 2011 г. - Йошкар-Ола: МарГТУ, 2011. С. 18-21.

10. Демаков, Ю.П., Майшанова М.И., Швецов С.М. Использование метода тканевой абсорбции для оценки аэральных выпадений пыли // Теоретические и прикладные проблемы науки и образования в 21 веке: сб. науч. тр. по материалам международной заоч. науч.-практ. конф. Тамбов, 2012. Ч. 2. С. 5355.

11. Майшанова М.И. Влияние известкового загрязнения на численность почвенных клещей соснового биогеоценоза // Материали за VIII Международна научна практична конференции «Найновите научни постижения - 2012» 17-25 март 2012 година: Екология, география и геология. - София, 2012 - Т.29. - С. 53-56.

12. Майшанова М.И., Богданов Г.А. Влияние длительного известкового загрязнения на брио- и лихенофлору соснового биогеоценоза // Материалы IX международ, научно-практич. конф. «Татищевские чтения: актуальные проблемы науки и практики»: Актуальные проблемы экологии и охраны окружающей среды. - Тольятти: Волжский ун-т им. В.Н. Татищева, 2012. - С. 128-135.

13. Демаков Ю.П., Майшанова М.И. Влияние длительного известкового загрязнения на почву соснового биогеоценоза // Materialy VIII Mi^dzynarodowej naukowi-praktycznej konferencji «Nauka: teoría i praktyka - 2012». - Przemysl, 2012. Vol. 9: «Ekologia. Rolnictwo. Weterynaria». S. 3-7.

14. Майшанова М.И., Демаков Ю.П. Состояние соснового древостоя в зоне выбросов завода силикатного кирпича // Materiáiy VIII mezinárodní vedecko - praktická conference «Aktuální vymozenosti vedy - 2012». - Praha: «Education and Science», 2012. Dil. 18: «Ekologie. Zemedélství». S. 40-44.

15. Демаков Ю.П., Майшанова М.И. Влияние длительного известкового загрязнения на прирост сосны обыкновенной // Materiáiy VIII merinárodní vedecko-praktická conference «Aplikované védecké novinky - 2012» - Praha, 2012. Dill 11: «Zemedélství. Zemépis a geología. Ekologie». S. 67-70.

Отпечатано с готового оригинал-макета

Формат 60х84'/16. Усл. печ. л 1,4. Тираж 100 экз. Заказ 90.

Издательство РГАУ - МСХА 127550, Москва, ул. Тимирязевская, 44 Тел.: (499) 977-00-12, 977-26-90,977-40-64

Текст научной работыДиссертация по биологии, кандидата биологических наук, Майшанова, Маргарита Ивановна, Йошкар-Ола

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Поволжский государственный технологический университет

04201355046

На правах рукописи

Майшанова Маргарита Ивановна

ОЦЕНКА ВОЗДЕЙСТВИЯ ВЫБРОСОВ СИЛИКАТНОГО ПРОИЗВОДСТВА НА СОСНОВЫЕ ЭКОСИСТЕМЫ СРЕДНЕГО ПОВОЛЖЬЯ

Специальность - 03.02.08 Экология (биология)

Диссертация на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Научный руководитель: доктор биологических наук Ю.П. Демаков

Йошкар-Ола 2013

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ..........................................................................................................................................................4

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА..........................................................................................8

1.1 .Проблема техногенного загрязнения окружающей среды и организации системы экологического мониторинга......................................................................8

1.2. Влияние техногенного загрязнения на различные компоненты лесных биогеоценозов......................................................................................................................................15

1.2.1. Почва....................................................................................................................................................15

1.2.2. Древостой..........................................................................................................................................18

1.2.3. Травяно-кустарниковый ярус..........................................................................................24

1.2.4. Мохообразные..............................................................................................................................27

1.2.5. Лишайники....................................................................................................................................28

1.2.6. Почвенные и дендрофильные водоросли............................................................30

1.2.7. Почвенная мезофауна..............................................................................................................32

ГЛАВА 2. ОБЪЕКТЫ И МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ..............................41

2.1. Географическое положение и природные условия..............................................41

2.2. Особенности производства Марийского завода силикатного кирпича....................................................................................................................................................................................47

2.3. Методика исследований................................................................................................................50

2.3.1. Оценка характера пространственного загрязнения территории и методика проведения химического анализа образцов..............................................50

2.3.2. Оценка состояния древостоя и подпологовой растительности............52

2.3.3. Методика изучения почвенных беспозвоночных..........................................54

ГЛАВА 3. АРЕАЛ РАСПРОСТРАНЕНИЯ ПЫЛЕВЫХ ВЫБРОСОВ И

СОДЕРЖАНИЕ ЗОЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ В РАЗЛИЧНЫХ СРЕДАХ... 57

3.1. Содержание зольных элементов в тканевых повязках......................................57

3.2. Влияние известкового загрязнения на органо-минеральный горизонт и почву......................................................................................................................................................................................................59

3.3. Изменение содержания зольных элементов в различных органах

деревьев сосны по градиенту загрязнения................................................................................72

ГЛАВА 4. ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ ДЛИТЕЛЬНОГО

ИЗВЕСТКОВОГО ЗАГРЯЗНЕНИЯ НА РАСТИТЕЛЬНЫЙ ПОКРОВ..........85

4.1. Влияние длительного известкового загрязнения окружающей среды

на состояние древостоя............................................................................................................................85

4.1.1. Изменение структуры ценопопуляции сосны..................................................85

4.1.2. Влияние известкового загрязнения на рост деревьев сосны..............89

4.1.3. Морфометрические показатели хвои сосны обыкновенной..............95

4.2. Влияние загрязнения на состояние травяно-кустарникового яруса... 97

4.3. Влияние щелочного загрязнения на брио- и лихенофлору................................105

ГЛАВА 5. ИЗМЕНЕНИЕ СТРУКТУРЫ НАСЕЛЕНИЯ ПОЧВЕННОЙ 116 МЕЗОФАУНЫ ПОД ДЕЙСТВИЕМ АЭРОТЕХНОГЕННОГО ЗАГРЯЗНЕНИЯ...................................................................................

5.1. Структура комплекса почвенных клещей, сенокосцев и пауков..............116

5.2. Структура комплекса полужесткокрылых насекомых......................................130

5.3. Структура комплекса жесткокрылых насекомых....................................................132

5.4. Структура комплекса наземных моллюсков................................................................139

ВЫВОДЫ..................................................................................................................................................................148

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ..........................................................154

ПРИЛОЖЕНИЯ................................................................................................................................................186

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы обусловлена необходимостью познания закономерностей изменения структурно-функциональной организации экосистем под воздействием усиливающегося с каждым годом техногенного загрязнения окружающей среды, совершенствования методического обеспечения системы экологического мониторинга, научного обоснования хозяйственных мероприятий по снижению последствий негативного влияния промышленных выбросов на состояние наземных экосистем и их отдельных компонентов. В полной мере это относится к лесным экосистемам как сложным самоорганизующимися динамическим открытым системам. Факторы, определяющие состояние лесных экосистем, действуют комплексно, часто синерги-чески, поэтому для оценки их состояния необходим системный подход, который в исследованиях иногда отсутствует.

В настоящее время детально изучены последствия воздействия на лесные экосистемы аэротехногенного загрязнения от металлургических и химических предприятий (Кулагин, 1985; Ярмишко, 1994; Черненькова, 2002; Мартынюк, 2009; Фомин, 2011), подробно рассмотрено влияние на них выбросов цементных заводов (Бериня и др., 1985; Армолайтис и др., 1995; Ше-лухо, 2003, Уакег е1 а1., 2011). Особенности же влияния на лесные экосистемы силикатного производства, продукция которых крайне востребована в современных условиях в связи с активным градостроительством, изучено не так подробно. Недостаточно изученным является также вопрос о миграции химических элементов в лесных экосистемах при загрязнении окружающей среды кальцийсодержащими выбросами.

Для ее реализации решались следующие задачи:

4. Выявить регионально-типологические закономерности изменения структурной организации подпологовой растительности и почвенной мезофауны под действием выбросов представительного силикатного производства в сосновых экосистемах, произрастающих на техногенный почвах.

Научные положения, составляющие предмет защиты:

1. Длительные пылевые выбросы представительного силикатного производства способствуют значительному улучшению лесорастительных свойств рыхло-песчаных дерново-слабоподзолистых почв, сформированной на флювиогляциальных песках, с образованием нового дерново-карбонатного техногенного горизонта.

тельного силикатного производства на состояние сосновых экосистем, произрастающих на рыхло-песчаных дерново-слабоподзолистых почвах. Результаты исследований показали, что в ареал распространения пылевых выбросов силикатного производства небольшой: стабилизация объема выпадающей пыли и массы большинства входящих в ее состав химических элементов, основными из которых являются кальций и стронций, происходит на расстоянии 400-700 м от источника загрязнения. Результаты комплексного экологического исследования показали неоднозначное влияние известкового загрязнения на различные компоненты сосновых экосистем. Так, щелочные выбросы способствуют в сосновых экосистемах нейтрализации среды, улучшению лесорастительных свойств, изменению химического состава коры и древесины, хвои деревьев сосны. Установлено, что подщелачивание окружающей среды привели к существенному изменению таксономического и типологического разнообразия подпологовой растительности и комплекса почвенной мезофауны загрязненной территории по сравнению с фоновым уровнем, но не сказалось существенным образом на состоянии эдификатора, его способности к росту и самовосстановлению. При проведении исследований выявлены новые для республики Марий Эл виды организмов: два вида лишайников, 16 видов пауков и два вида наземных моллюсков.

школы по почвенной зоологии и экологии» (Пенза, 2011); «Лесное хозяйство России: состояние, проблемы, перспективы инновационного развития» (Казань, 2011); «Найновите научни постижения - 2012» (София, 2012); «Aktuální vymozenosti védy - 2012» (Прага, 2012), «Aplikované védecké novinky - 2012» (Прага, 2012), «Nauka: teoría i praktyka - 2012» (Пшемысль, 2012), «Теоретические и прикладные проблемы науки и образования в 21 веке» (Тамбов, 2012); «Татищевские чтения: актуальные проблемы науки и практики» (Тольятти, 2012); а также на ежегодных внутривузовских научных конференциях и заседаниях кафедры управления природопользованием и лесозащиты Марийского государственного технического университета.

Благодарности. Автор выражает искреннюю признательность своему научному руководителю д.б.н., проф. Ю.П. Демакову. Выражаю сердечную благодарность научным сотрудникам различных организаций, оказавшим неоценимую помощь в сборе и обработке полевого материала: с.н.с. Г.А. Богданову (заповедник «Большая Кокшага») - по оценке состояния подполого-вой растительности, канд. с.-х. наук A.B. Исаеву (заповедник «Большая Кокшага») и к.б.н. И.И. Митяковой (ПГТУ) - по исследованию почв, к.б.н. Ю.П. Краснобаеву (Жигулевский заповедник им. И.И. Спрыгина), к.б.н. В.А. Матвееву (МарГУ), к.б.н. Т.Г. Стойко (Пензенский ГПУ им. В.Г. Белинского), м.н.с. А.Н. Чемерису (Томский ГУ), а также сотрудникам Зоологического института РАН, д.б.н. Б.А. Коротяеву, д.б.н. С.Ю. Синеву, д.б.н. А.Г. Кирейчуку, д.б.н. Б.М. Катаеву, д.б.н. М.Ю. Мандельштаму, к.б.н. А.Г. Мосейко, к.б.н. Д.А. Гапону и A.B. Ковалеву - за содействие в идентификации таксономической принадлежности различных групп беспозвоночных животных, ст. лаб. Швецову С.М. (ПГТУ) - за проведение анализов зольного состава почв, древесины, коры и хвои деревьев сосны.

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА

1.1. Проблема техногенного загрязнения окружающей среды и организации системы экологического мониторинга

Техногенное воздействие человечества на окружающую его среду, резко возросшее во второй половине XX столетия (Израэль, 1984), приобрело в настоящее время глобальный характер. Масштабы и темпы антропогенной деятельности опережают во многих случаях не только адаптивные возможности организмов и экосистем, но и, самое главное, уровень научных знаний об особенностях их поведения и функционирования в изменившейся экологической обстановке, что, несомненно, обуславливает необходимость проведения фундаментальных и прикладных исследований реакции биоты на различные виды и концентрации загрязнителей (Неронов и др., 1983). В полной мере это относится к лесным биогеоценозам как сложным самоорганизующимися динамическим открытым системам (Корзухин, Семевский, 1992), в которых, благодаря жизнедеятельности многих видов организмов, поддерживается непрерывность биологического круговорота веществ на локальном, региональном и глобальном уровнях (Одум, 1975; Добровольский, Никитин, 1986; Реймерс, 1994). Факторы, определяющие состояние лесных экосистем, действуют комплексно, часто синергически (Спурр, Барнес, 1984; Корзухин, Семевский, 1992), поэтому для оценки их состояния необходим системный подход, который в исследованиях иногда отсутствует.

Начало развития системы биомониторинга, как средства оценки качества окружающей среды и изменений биоты под влиянием техногенной деятельности человечества, связано с 1-ой Международной конференцией ООН, состоявшейся в 1972 г. в Стокгольме (Бурдин, 1985; Израэль, 1985; Биоиндикация загрязнения ..., 1988, Криволуцкий, 1994). В настоящее время научные представления о влиянии атмосферного загрязнения на биоту существенно расширились благодаря работам многих отечественных и зарубежных ученых (Кулагин, 1974, 1985; Marx, 1975; Николаевский, 1979; Николаевский, Белокрылова, 1980; Smith, 1981; Forest ecosystems .., 1984; Effects of pollutants 1984; Николаевский, Марцешок, 1985; Alloway et al., 1993; Rozhkov, Mik-

hailova, 1993; Бутовский, 1993, 1997; Безель и др., 1994; Forest dynamics ..., 200).

Источниками загрязнения наземных экосистем являются промышленность (химическая, металлургическая, строительная, пищевая), теплоэлек-троэнергетика, транспорт, добыча твердых, жидких и газообразных полезных ископаемых, коммунальное, сельское и лесное хозяйство. Воздействие на биоту каждого из этих источников загрязнения является, при этом, сугубо специфичным. Выбросы большинства производств состоят из многих загрязняющих веществ, которые отличаются по химической природе и агрегатному составу. Так, металлургические комбинаты выбрасывают в воздух смесь пол-лютантов «кислой» природы: сернистый газ, окислы азота, окись углерода, соединения фтора, серы, пары кислот, металлургическую пыль, содержащую тяжелые металлы (Николаевский, 1979; Воробейник и др., 1994; Рунова, 1999; Загрязнение почв ..., 1998; Черненькова, 2002; Загрязнение почв ..., 2011). Заводы, производящих строительные материалы, выбрасывают в атмосферу цементную пыль, состоящую из смеси поллютантов как щелочной, так и кислой природы: извести, сульфатов, сернистых ангидридов, фторидов, оксидов азота, оксида железа, оксида кальция, диоксида кремния (Влияние выбросов ..., 1995; Шелухо, 2003; Макаров, 2007). Однако, по данным Н.И. Лайранд и его соавторов (Лайранд и др., 1978), состав выбросов цементных заводов зависит от способа производства, системы печей и эффективности очистных сооружений. Пыль в выбросах цементных заводов на разных этапах технологического процесса имеет разный состав и может представлять собой либо сырьевую муку, либо первично образовавшиеся соли и фазы клинкера (промежуточный продукт при производстве цемента). Наибольшую опасность несут пылевые выбросы клинкерных масс, которые при соответствующих атмосферных условиях превращаются в цементную корку. Пыль, состоящая из сырьевой муки, не способна к сцеплению и разносится на большие расстояния. В состав выбросов производства силикатного кирпича входит известковая пыль, содержащая кроме кальция и стронция, как основных ее компонентов, множество других элементов (Демаков и др., 2012а) и в совокупности имеет щелочную реакцию (Сабиров, Газизуллин, 1996; Влияние длительного..., 2012а).

Степень загрязнения воздуха и окружающей среды промышленными поллютантами зависит от многих факторов:

Информация о работе

Майшанова, Маргарита Ивановна
кандидата биологических наук
Йошкар-Ола, 2013
ВАК 03.02.08

Диссертация

Оценка воздействия выбросов силикатного производства на сосновые экосистемы Среднего Поволжья - тема диссертации по биологии, скачайте бесплатно

Автореферат

Похожие работы