Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Влияние выбросов промышленных предприятий в средней Сибири на сосну обыкновенную (Pinus sylvestris L).

ВАК РФ 03.00.16, Экология

Автореферат диссертации по теме "Влияние выбросов промышленных предприятий в средней Сибири на сосну обыкновенную (Pinus sylvestris L)."

-а

9 7. ^

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК

СИБИРСКОЕ ОТДЕЛЕНИЕ Институт леса имени В. Н. Сукачева

На нравах рукошни

3 У Б А Р Е В А Ольга Николаевна

УДК. (532.15+582/i7Г>.4. (571.14)

Влияние выбросов промышленных предприятий в средней Сибири на сосну обыкновенную

(Pinus Sylvestris L).

03.00.16 — Экология

А В Т О Р Е Ф Е Р А Т

диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических паук

Красноярск — 1993

Работа выполнена в лаборатории физиологии и экологии древесных растений Института леса имени В. Н. Сукачева СО РАН.

Научный руководитель:

доктор биологических наук Г. И. Гире

Официальные оппоненты:

доктор биологических наук Л. А. Барахтенова

кандидат биологических наук Ю. С. Григорьев

Ведущая организация:

Сибирский институт физиологии и биохимии растений СО РАН

Защита диссертации состоится « » /¿¿?../^93 году в /0 часов на заседании специализированного Совета К 002.70.01 по присуждению ученой степени кандидата наук в Институте леса пм. В. Н. Сукачева по адресу: 660036, г. Красноярск, Академгородок, ИЛ им. В. И. Сукачева СО РАН.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института леса им. В. Н. Сукачева СО РАН.

Автореферат разослан « $6 »

1993 г.

Ученый секретарь специализированного совета кандидат биологических наук,

старший научный сотрудник О. А. Зырянова

ОБШАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Проблема техногенного загрязнения окружающей среды чрезвычайно актуальна для Красноярского края в связи с развитием теплоэнергетики на базе использования бурых углей КАТЭКа, а на севере края - промышленной деятельностью Норильского горнометаллургического комбината. В газообразных выбросах этих предприятии преобладает диоксид серы - один из самых распространенных и токсичных загрязнителей воздуха, переносимых с воздушными потоками на большие расстояния.

Загрязнение воздуха промышленными выбросами приводит к значительному ухудшению состояния или даже гибели лесов на обширных территориях. Симптомы острого повреждения растительности токсичными газами высоких концентраций достаточно хорошо описаны ( лукья-нец, 1979; Алексеев, 1982, 1989, 1990; Мо15к1, ОтисИоу^кз., 1986; Крючков, 1991). Процесс деградации древесной растительности при таком типе воздействия идет ускоренными темпами и предотвратить его на стадии видимых нарушений практически невозможно.

Значительно сложнее идентифицировать последствия воздействия промышленных выбросов низких концентраций, когда нарушение жизнедеятельности деревьев происходит на уровне физиолого-биохимических процессов и длительное время не проявляется внешне. Этот вид повреждений является следствием суммирования малых эффектов в течение ряда лет или даже десятилетий и может приводить к снижению экологической и хозяйственной ценности древесных растений и даже их гибели. Поэтому крайне важно установление у древесных растений индикационных показателей для диагностики действия низких концентраций загрязнитилей. Наличие таких данных позволит своевременно проводить санитарные и оздоровительные мероприятия в лесах.

Недостаточная изученность изменений, происходящих в растениях, подвергающихся слабому хроническому загрязнению атмосферы соединениями серы, и отсутствие данных об аккумуляции серы растениями при различных уровнях токсической нагрузки для условий Средней Сибири предопределили постановку данного исследования. В связи с интенсивным промышленным освоением региона подобные данные необходимы для выполнения экспертных работ и составления прогнозов состояния растительности.

Цели и задачи исследования. Целью работы являлось изучение

длительного влияния комплексного атмосферного загрязнения выброса-

з

ии ТЭЦ, работающей на бурых углях КАТЭКа, и ряда заводов (целлюлозно-бумажного, алюминиевого, "Химволокно") в концентрациях, близких к ПДК для хвойных пород, на сосну обыкновенную и вычленение морфо-физиологических признаков хвои и побегов, характеризующих повреждение такого типа. В районе Норильского промышленного комплекса - установление ареала распространения газообразных выбросов комбината по накоплению в растительности общей серы, достижение указанной цели предполагает решение следующих задач:

- изучить изменения морфологических показателей хвои и побегов у деревьев, вызванных загрязнением воздуха;

- изучить влияние загрязнення воздуха на содержание основных макроэлементов в хвое сосны;

- изучить динамику накопления серы в хвое сосны под влиянием загрязнения воздуха;

- определить качественный и количественный состав элементов-загрязнителей, выпадающих на поверхность хвои сосны за зимний период;

- определить уровни техногенного загрязнения территории в зоне переноса газообразных выбросов НГМК по накоплению в древесной и кустарниковой растительности общей серы.

Научная новизна работы. Впервые для условий Средней Сибири изучено влияние загрязнения атмосферы на уровне ПДК и загрязнения, превышающего его, на древесные породы-лесообразователи (сосну, ель, лиственницу). Установлены фоновые концентрации содержания серы в хвое и листьях основных древесных и кустарниковых пород. Показано, что при слабом многолетнем загрязнении атмосферы соединениями серы на фоне постоянного избыточного ее накопления в хвое у сосны происходит изменение морфологии хвои и побегов. Раскрыта информативность химического анализа ассимиляционных органов растений для проведения мониторинга при загрязнении среды соединениями серы. Сопряженный анализ уровня накопления общей серы в хвое и листьях деревьев и их жизненного состояния в зоне воздействия загрязнителей, в дозах выше ПДК, позволил установить критические концентрации накопления серы, превышение которых вызывает повреждение и разрушение лесных экосистем. Использованный подход дал возможность виделить три уровня загрязнения и соответстьующие им состояния насаждений.

Практическая ценность. Результаты исследовании могут быть использованы при проведении экологических экспертиз и составлении

Ч

долгосрочных прогнозов состояния биоценозов с учетом длительности и интенсивности воздействия. Полученные данные могут быть применены для расчета допустимых концентраций поллюлантов в воздухе и предельно допустимых выбросов для предприятий-загрязнителей. Результаты исследований были использована при составлении рекомендации "диагностика состояния насаждений, подверженных действию техногенных выбросов тепловых электростанций'.

Апробация работы. Материалы диссертационной работы докладывались на научной конференции "Мониторинг лесных экосистем" (Каунас, 1986); II Всесоюзном совещании по проблемам общей биогеоцена-логии (Москва, 1986); Всесоюзном совещании "Пути решения проблем сокращения выбросов в атмосферу на тепловых электростанциях" (Красноярск, 1987); IV Международной конференции "Биоиндикация нарушенных территорий" (Чешские Будейовицы, ЧССР, 1988)-, I Всесоюзной научной конференции "Растения и промышленная среда" (Днепропетровск, 1990); Международном симпозиуме "Экологическая физиология хвойных" (Абакан, 199 i); Всесоюзной конференции "Проблемы использования канско-ачинских углей в энергетике" (Красноярск, 1993 ).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 13 работ.

Структура и объем работ, диссертация состоит из введения, 7 глав, выводов и списка литературы. Общий объем работы {ЬЦ страниц машинописного текста, включая 30 таблиц и 26 рисунков. Список литературы включает 270 наименований, из них 104 на иностранных языках.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Глава I. ВЛИЯНИЕ ЗАГРЯЗНЕНИЯ АТМОСФЕРЫ НА ДРЕВЕСНУЮ РАСТИТЕЛЬНОСТЬ

На основании анализа отечественной и зарубежной литературы в главе приводится описание источников загрязнения атмосферного воздуха и форм трансформации загрязнителей в атмосфере (Garland, Branson, 1 977; Николаевский, 1979; Fowler, 1980; десслер, 198 1; Fowler, Cape, 1983; Смит, 1985; Робинсон, 1988; оттар и др. , 1988; Алексеев, 1990). Рассматриваются данные о влиянии различных уровнен атмосферного загрязнения на древесные растения (Николаевский, 1979; Kozlovski, 1 980; Смит, 1985; Рак. 1 985; Molski et. al. ,1 986; Алексеев, 1982, 1989, 1 990; Хальбваш, 1988). обсуждаются вопросы поступле-

5

ння двуокиси серы в листья и ее влияния на ультраструктуру и метаболизм листа и целого растения (Николаевский и др. , 1975; Игнатен-ко, Тарабрин, 1975, 1986; Илькун, 1978; Кунина и др. , 1979; Heath, -1980; Jager, Klein, 1980; Unswort, 1981; Soikkeli, 1981; Oleksyn,-1981; Сергейчик, 1982, 1988; Барахтенова и др. , 1983; Ulrich et. al. , -1987). Анализируется санитарно-гигиеническая роль леса в поглощении и обезвреживании токсических газов и возможность использования древесных растений как биоиндикаторов загрязнения атмосферы промышленными выбросами (Гетко, 1973, 1989; Кулагин, 1973, 1981; Илькун,-1978,1983; Рябинин, 1965; Карху et. al. , 1985; Hager, Kazda, 1985; Molski et. al. , 1986; Фрей, 1987; Шяпятене, 1987; Мартынюк, 1983; Нио-моркаи, 1982; Schogll, 1989;' Крючков, 1991 ). Констатируется факт сосредоточения усилий исследователей на изучении видимых признаков повреждения растительности и связанного с ним изменением метаболизма у растений. Анализ литературы показал слабую изученность реакций древесных растений на хроническое воздействие промышленных загрязнителей в дозах, близких к предельно допустимым, когда видимые признаки деградации древесного яруса отсутствуют. Неразработанность этих вопросов затрудняет проведение профилактических мероприятий в ослабленных древостоях.

Глава II. ХАРАКТЕРИСТИКА РАЙОНА ИССЛЕДОВАНИЙ, ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

В главе дается характеристика геоморфологических условий, климата и почв района исследования. Приводится качественный и количественный состав и динамика содержания загрязнителей в воздухе. Основными источниками загрязнения в этом регионе являются ТЭЦ-i и ТЭЦ-2, работающие на бурых углях КАТЭКа, а также заводы: целлюлозно-бумажный, "Химволокно*. алюминиевый.

Исследования проводились в 1983-1992 годах в чистых сосновых древостоях, расположенных в 10 и 17 км по розе ветров от источников загрязнения. В пределах Березовского бора, находящегося в 10 км от промышленных предприятий, были выбраны три пробные площади. Первая пробная площадь, наиболее подверженная воздействию токсических газов, находится на западной навеаренной окраине бора и представлена сосняком II класса возраста с полнотой 1, 1. Вторая пробная площадь расположена в центре 40-летнего древостоя с полнотой 1, 3. третья пробная площадь выбрана на восточной окраине бора

6

в 90-летнем насаждении с полнотой О,8, под пологом которого произрастает 10-15-леТннй подрост сосны. В Есаульском бору, отстоящем от источников эмиссии на J7 км, образцы отбирались в его восточной части, в сосняке v класса возраста с полнотой О,8 (Скрнпалыаикова, 1984). В качестве условно чистых были выбраны сосновые древостой, соответствующего возраста, бонитета и полноты, в Погорельском бору, расположенном в 40 км северо-восточнее г.Красноярска.

Изучение влияния выбросов НГМК на растительность и ареала их распространения производилось в лиственичных древостоях с примесью ели и березы. Исследованные насаждения расположены за полярным кругом на правом берегу р. Енисей, в административных границах Красноярского края. Их южная граница проходит севернее 68 параллели (Чертовской и др. , 1987 ). Главной лесообразуюшей породой является лиственница сибирская (Larix sibirica Ldb. ). В меньшем количестве встречается ель сибирская (Picea obovata Ldb. ) и береза белая (Betula alba L. ). Исходя из требований биомониторинга и реальных возможностей выполнения работы был произведен сбор хвои и листьев основных лесообразуюших и кустарниковых пород в 43 точках, находящихся на различном расстоянии и разных направлениях от источников выбросов.

Морфометрические показатели определялись однократно в третьей декаде августа, для этого на каждой пробной плошади с ю условно средних деревьев срезались ветви II, III порядков в верхней, средней и нижней частях кроны, на них измерялись линейный прирост осевых побегов, длина хвои, подсчитывалось количество хвои на побеге одного возраста, определялась масса сырой хвои, а также масса юо абсолютно сухих хвоинок.

для изучения содержания азота, фосфора, калия и серы образцы разновозрастной хвои отбирались до начала вегетации и после ее окончания из средней части кроны 5 деревьев главного яруса. При изучении сезонной динамики накопления серы образцы отбирались ежемесячно с апреля по сентябрь, они фиксировались текучим паром в течение 20 минут, а затем высушивались до воздушно-сухого состояния.

Количество азота, фосфора и калия определялось в одной навеске по методу К.Е.Гинзбург и др. (1963), серы - турбидиметрическим методом (Маслов,1978). За период исследования проанализировано 500 образцов.

Для выяснения качественного и количественного состава раство-

7

рнмых соединений накапливавшихся на поверхности хвои за зимний период, образцы собирались в апреле до выпадения первых весенних дождей. Состав растворимых соединений определялся в смывах со 100 хвоинок в 100 мл дистиллята, с последующим пересчетом на единицу абсолютно-сухой массы хвои. В промывных водах определя/и содержание кальция, алюминия, железа, магния - методом ИК-спектроскопни, pH смывов - на рнметре-265/I.

Полученные данные обрабатывались статистически (лакин, 1980).

Глава III. ВЛИЯНИЕ ПРОМЫШЛЕННЫХ ВЫБРОСОВ НА МОРФОЛОГИЮ ХВОИ И ПОБЕГОВ СОСНЫ ОБЫКНОВЕННОЙ

При выполнении экспертных экологических оценок повреждения леса промышленными выбросами наиболее часто пользуются морфологической характеристикой ассимиляционного аппарата дерева. Появление глазомерно фиксируемых признаков повреждения характерно для действия высоких концентраций выбросов и часто встречается в древосто-ях, растущих вблизи металлургических комбинатов (лукьянец,1979; МартыНЮК, 1983; Рак, 1985; И др. ).

При хроническом типе повреждения растительности, обусловленном длительныи воздействием низких концентраций токсических газов, может наблюдаться преждевременный листопад, уменьшение облиствен-ности крон, отмирание отдельных побегов и даже гибель деревьев (Kozlovski, 1980; десслер, 1981; Смит, 1985 ).

Анализ полученных данных показал, что хроническое воздействие низких концентраций загрязнителей не отразилось на приросте осевых побегои, длине хвои и массе сырой хвои на побеге одного возраста, и абсолютно-сухой массе 100 хвоинок у 40-летних деревьев основного полога (табл. 1). Лишь с наветренной стороны массива наблюдаются изменения морфологических показателей кроны: на 35% снижается лн-неиньш прирост побегов и масса сырой хвои на побеге одного возраста, увеличивается количество некротизированной хвои; достоверно уменьшается охвоенность побегов, начиная со второго года жизни. Одновременно с этим у сосен с наветренной части насаждения отмечается увеличение массы 100 абсолютно-сухих хвоинок в верхней части кроны. Аналогичное мнение о более сильном повреждении опушечных деревьев поллютантами было высказано рядом авторов (десслер,1981; Bentz, 1984; Dasch. 1986).

Таблица 1

Изменение морфологнчекнх показателен хвои и побегов у сосны в верхней части кроны.

Часть древостоя возраст, лет Прирост побегов см гс к кон тро лю Длина хвои мм % к кон тро лю масса сырой хвои •на 1 летнем побе ге % к кон тро л» масса 100 а. с. хвоин г ч к кон тро лю

Наветренная 40 11, 6±0, s 94 7 1±1, 0 127 10, 811, 7 1 95 3, 0±0, 4 197

Центральная 40 17, 8±0, 6 144 72±0, 6 129 1 2, 3±0, 8 223 2, 1±0, 1 134

Подветренная 90 3, 2-0, 2 30 61±1, 2 78 3, 0±0, 8 48 1, 9±0, 3 71

Подветренная 10-15 13, 3±0, 5 1 19 50±2, 3 100 2, 5±0, 4 114 0, б±0, 1 86

Отмечены возрастные различия в устойчивости морфологических признаков при таком типе воздействия. Если у деревьев I, XI классов возраста, исключая наветренную часть массива, не наблюдается угнетения роста побегов и ассимиляционного аппарата, то у деревьев V класса возраста в разреженной подветренной части Березовского бора видны явные признаки повреждения техногенными выбросами, особенно в верхней части кроны: снижение линейного прироста побегов на 23-705, уменьшение длины хвои на 11—22%, массы хвои на 20-72%, количества хвои на побеге одного возраста на 30-72% (табл. 1). Визуально заметна изреженность ажурность крон.

Таким образом, изучение морфологических показателей кроны деревьев, растущих в зоне промышленного загрязнения, показало, что для оценки степени ослабления следует обращать внимание на приросты осевых побегов, их охвоенность, наличие некрозов и т.д. у деревьев старшего возраста, более сильно реагирующих на загрязнение, и деревьев, растущих в наветренной части лесных массивов и принимающих основную техногенную нагрузку.

Глава IV. ВЛИЯНИЕ ПРОМЫШЛЕННЫХ ВЫБРОСОВ НА СОДЕРЖАНИЕ МАКРОЭЛЕМЕНТОВ В ХВОЕ СОСНЫ ОБЫКНОВЕННОЙ

Естественные факторы ослабления, особенно дефицит питательных веществ в почве, могут вызвать симптомы, сходные с повреждением атмосферными загрязнителями (гесЪ еЬ. а1. , 1985; гоеШ еЬ а1. , 1986; Трешоу,1988). Поэтому использование только видимых признаков по-

9

вреждения листьев не дает однозначного ответа о причинах, вызвавших эти изменения. В таких случаях необходимо проведение химических анализов, позволяющих определить уровень обеспеченности деревьев элементами минерального питания. С другой стороны, от обеспеченности растений питательными элементами зависит их устойчивость к действию токсических газов (Раиске, 1980).

В результате проведенных исследований установлены пределы колебания содержания макроэлементов в хвое сосен, растущих в .условно чистой атмосфере, по годам вегетации, в зависимости от возраста деревьев, возраста хвои. и расположения хвои в кроне. Сравнение данных листового анализа с литературными показало, что уровень минерального питания контрольных древостоев соответствует нижнему пределу оптимума для сосны; азот 1,16-1,54%, фосфор 0,19-0,28%, калий 0,45-0,75% от сухой массы в однолетней хвое.

У сосен, произрастающих в условиях загрязнения атмосферы, обнаружено повышенное, в сравнении с контролем, содержания азота, фосфора и калия. Так же как и в хвое контрольных деревьев количество макроэлементов подвержено годичным колебаниям, обусловленным изменениями погоды.

Наибольшее содержание общего азота, на 18-6 8% превышающее уровень контрольных деревьев, накапливается в хвое сосен, растущих на окраинах бора. В центральной, наиболее сомкнутой части древостоя, превышение содержания азота незначительно (6-10%).

у деревьев, растущих в наиболее повреждаемой наветренной части древостоя, содержание азота с увеличением возраста хвои не снижается и не отмечено вертикального градиента изменения количества азота в хвое. В сомкнутой центральной части древостоя и у сосен, растущих в 17 км от источника эмиссии, наблюдается нормальный градиент распределения азота в кроне.

Содержание фосфора в хвое сосен, произрастающих в условиях промышленного загрязнения, на 29-30% выше контроля за счет усиления его поглощения из почвы. У деревьев, растущих по периметру бора, не наблюдается вертикального градиента содержания фосфора в хвое.

Аккумуляция соединений, азота в условиях загрязнения сопровождается накоплением калия в хвое. Максимальное количество калия, на 18-57% выше контроля, накапливается в хвое подроста. Осенью отмечается увеличение концентрации калия в хвое сосен, пропорционально его возрастанию у контрольных деревьев. По мере старения хвои ко-

10

личество калия в ней снижается, причем разница с контролем возрастает. В частности, содержание калия в трехлетней хвое превышает контрольный уровень на 50-73%. По вертикальному профилю кроны градиент распределения калия аналогичен деревьям, растущим вне зоны загрязнения.

Таким образом, максимально» количество азота, фосфора и калия накапливается в хвое сосен, растущих по периметру насаждения. Задерживая и поглощая большую часть газообразных окислов азота, деревья выполняют роль биологического фильтра. Увеличение содержания фосфора и калия происходит за счет усиления их поглощения из почвы, что является защитной реакцией, направленной на восстановление катионно-анионного равновесия в клетках. Минимальное увеличение концентрации КРК в хвое сосен, растущих в центре древостоя, и характерная для здоровых деревьев вертикальная изменчивость, указывают на слабое проникновение загрязнителей вглубь сомкнутого древостоя.

Глава V. ВЛИЯНИЕ ПРОМЫШЛЕННЫХ ВЫБРОСОВ НА СОДЕРЖАНИЕ СЕРЫ В ХВОЕ СОСНЫ ОБЫКНОВЕННОЙ

В главе приводятся литературные данные, раскрывающие значение серы как элемента минерального питания, ее роль в метаболизме растения, способность растений поглощать соединения серы из воздуха, возможность использования древесных растений в качестве индикаторов загрязнения воздушной среды двуокисью серы (Шевякова, 1979; Полякова, 1980; Ziegler, 1972, 1973, 1974; СИекБуп, 1981; БараХ~еНОВа И др., 1988; Bytnerowi.cz е1. а1., 1982; и др. ).

для выяснения особенностей аккумуляции серы в условиях загрязненной атмосферы было изучено количественное распределение серы по органам н динамика сезонных изменений у деревьев, произрастающих в условно чистой атмосфере. Установлено, что содержание серы в хвое близко у деревьев разного возраста и в разновозрастной хвое. Не отмечено достоверных изменений в количестве серы по профилю кроны, невелика индивидуальная изменчивость. Однако имеются четкие сезонные ритмы концентрации серы в хвое с максимумами в начале и конце вегетации и минимумом в середине Ьегетации. Содержание общей серы в хвое колеблется в пределах 0,8-1,2 иг/г абс.-сух. массы и его можно рассматривать как фоновый уровень для данного региона. Литературные данные также показывают, что фоновое содержание серы

И

в хвое сосны обыкновенной редко превышает этот уровень.

В хвое сосен, произрастающих в зоне загрязнения отмечается повышенное по сравнению с контролем содержание общей серы. Установлено, что уровень накопления серы у деревьев одного возраста различен (коэффициент вариации 7-9%), что связано с индивидуальной скоростью процессов фотосинтеза и транспирации, от которой зависит поглощение токсикантов.

для сосен в техногенной зоне, также как и для деревьев, растущих в чистой атмосфере, характерны сезонные ритмы содержания общей серы в хвое, с максимумами перед началом и по окончании вегетации, в 1,8-2 раза превышающими контрольный уровень (табл. 2). минимальная концентрация серы в хвое 40-летних сосен, до 76% от весеннего уровня, отмечается в июле, когда выпадает наибольшее количество осадков. Наиболее существенное снижение концентрации серы в

Таблица 2

Изменение содержания серы в однолетней хвое сосны в течении вегетации, мг/г абс.-сух. массы

Часть древостоя, возраст, лет Май Июнь Июль АВГУСТ

Наветренная, 40 1, 47±0, 04 1, 33±0, 05 1, 12±0, 04 1, 40±0, 04

1, 02±0, 02 0, 87±0, 05 0, 88*0, 03 1, 08±0, 04

Центральная, 40 1, 28±0, 03 1, 12±0, 04 1, 04±0, 04 1, 71±0, 08

1, 02±0, 02 0, 87±0, 05 0, 88±0, 03 1, 08±0, 04

Подветренная, 90 1, 38±0, 03 1, 01±0, 04 1, 07±0, 07 1, 45±0, 04

1, 00±0, 04 0, 82±0, 05 0, 72±0, 03 1, 20±0, 01

Подветренная, 10-15 1, 60±0, 01 1, 35±0, 04 1, 13±0, 06 1, 65±0, 01

1, 03±0, 04 1, 01±0, 01 0, 99±0, 04 1, 13±0, 01

Сумма осадков, мм 49 85 92 53

• в знаменателе контроль (Погорельский бор)

хвое, до 70% от весеннего уровня, наблюдается у подроста. Снижение содержания серы в хвое сосен в период летней вегетации может происходить не только за счет вымывания ее из хвои, но и частично за

счет оттока в другие органы, о существовании которых свидетельст-

12

вует повыиение содержания серы во флоэме побегов в 1, 5 раза в нюне по сравнению с весенним уровнем.

Установлено, что перед началом вегетации содержание серы за метно снижается по мере увеличения возраста хвои (однолетняя хвоя - 1,8 мг/г а.-с. массы, пятилетняя - 1, 1 мг/г а.-с. массы), что обусловлено более высокой интенсивностью процессов фотосинтеза и транспирацин у молодой хвои и, с другой стороны, меньшим проникновением газообразных загрязнителей вглубь кроны. Осенью наблюдается накопление серы в хвое до трехлетнего возраста, но уже в хвое четвертого года жизни концентрации серы на 20% ниже чем в трехлетней.

Сразнение количества серы в разновозрастной хвое по профилю кроны показало, что наибольшее ее накопление отмечается в нижней части кроны. Осенью наибольиее количество серы содержится в средней части кроны. Наиболее ярко этот градиент выражен у деревьев, растущих по периметру бора. Поэтому для диагностики загрязнения целесообразно отбирать хвою 2-3 гола жизни из средней и нижней частей кроны.

Содержание серы в хвое сосен, произрастающих в условиях загрязнения, значительно варьируется по годам, что обусловлено метеорологическими условиями и интенсивностью выбросов предприятий-загрязнителей. Поэтому степень повреждения растительности в разные годы неодинакова.

Существует градиент содержания серы в хвое сосен, растущих в 10 ки (1,7 мг/г абс.-сух. массы) и 17 ки (1,3 мг/г абс.-сух. массы) от источника эмиссии.

Возраст деревьев определяет их аккумулирующую способность -максимальное накопленне серы в 1,6-2.5 раза превышающее контроль, наблюдается у 10-15-летнего подроста; в хвое 40-летннх сосен содержание серы может быть в 1,5-2,2 раза и в хвое эо-летних деревьев в 1,3-1,9 раза выше контроля.

Кроме хвои двуокись серы осаждается на поверхность коры побегов и ствола. Показано, что в коре побегов 40-летних сосен, расту щих на наветренной окраине бора, содержание серы на 38-48% выше чем у контрольных деревьев. Сезонная динамика содержания серы в коре побегов идентична изменениям, ее количества в хвое. Еще более значительные количества серы, в 4-8 раз превышающие контрольный уровень, накапливаются в коре ствола. Поэтому при оценке санитарно-гигиенических функций древостоя необходимо учитывать количество

загрязнителей, оседающих на поверхности коры ветвей и ствола.

33

Глава VI. КАЧЕСТВЕННЫЙ И КОЛИЧЕСТВЕННЫЙ СОСТАВ ВОДОРАСТВОРИМОЙ ФРАКЦИИ СУХИХ ОТЛОЖЕНИЙ НА ПОВЕРХНОСТИ ХВОИ СОСНЫ ОБЫКНОВЕННОЙ, ПРОИЗРАСТАЮЩЕЙ В УСЛОВИЯХ ЗАГРЯЗНЕНИЯ

В начале главы рассматриваются механизмы выведения загрязняющих веществ из атмосферы в зависимости от химического и механического состава (Смит, 1985; Lindberg et. al., 1986; Wittenbach et. al. , -1986).

Установлено, что за зимний период на поверхности хвои сосен, произрастающих в условиях загрязнения, оседает значительное количество поллюлантов. Их качественный состав довольно разнообразен н отражает состав переносимых воздушных загрязнителей, включающих в себя как газообразные, так и пылевидные выбросы прилегающих промышленных предприятий.

Показано, что наибольшее количество сульфат-ионов (до 343 мг/кг а.-с. массы хвои) накапливается в нижней части кроны 40-летних сосен наветренной части древостоя, задерживающей основную долю загрязнителей, и в хвое подроста (468 мг/кг а.-с. массы), произрастающего на подветренной окраине бора. В центре древостоя на поверхности хвои оседает 5 0-70% сульфат-ионов от его количества в наветренной части бора. Сравнение данных общего количества серы в хвое и ее доли, находящейся'на поверхности показало, что количество серы на поверхности невелико и составляет 2,2-8,3%. Помимо сульфат-ионов в смывах с поверхности хвои обнаружено близкое количество нонов аммония. Характер накопления ионов аммония на поверхности хвои сосен и их количество сходны с сульфат-ионами, что дает нам основание считать, что основная часть сухих отложений образующихся из SO, и NH3 выпадает в виде сульфата аммония. Кроме того, на поверхность хвои за зимний период выпадает довольно широкий спектр катионов, в частности калия (44-132 мг/кг а.-с. хвои), кальция (124-267 мг/кг), алюминия (21-39 мг/кг), железа (36-44 мг/кг). Особенно велико количество ионов магния (1990-2540 мг/кг), что обусловлено значительным количеством его в выбросах при сжигании канско-ачинских углей.

Выявлен четкий окраинный эффект для ионов S04~, NH* Са++. В центре древостоя оседает большое количество ионов Mg++, К+, Al+++, Fe+++, связанных с мелкими частицами пыли.

Соотношение катионов и анионов оседающих на поверхности хвои

14

определяет pH смывов с нее. Установлено, что растворы имеют близкую к нейтральной реакцию (6,4-7,3). Наиболее близкую к нейтральной реакцию имеют смывы с хвои из нижней части крон деревьев, растущих в наветренной части бора, где отмечено накопление значительных количеств катионов аммония, кальция, магния, в сумме превышающих содержание анионов. Самая высокая величина pH (6,8-7,3) характерна для смывов с хвои подроста на подветренной окраине бора. Это обусловлено количеством ионов, более чем в 2 раза превышающим их содержание на хвое взрослых деревьев. Нейтральная реакция смывов с поверхности хвои объясняет отсутствие точечных некрозов хвои.

Глава VII. ПРИМЕНЕНИЕ МЕТОДА АККУМУЛЯТИВНОЙ БИОИНДИКАЦИИ ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ДАЛЬНОСТИ РАСПРОСТРАНЕНИЯ ВЫБРОСОВ НГМК

Прн оценке повреждения лесов техногенными выбросами лучшими индикаторами являются сами древесные растения (Rabe, 1982). В главе дается определение биоиндикаторов, характеристика методов биоиндикации, и перечисляются требования, которым она должна отвечать (Rabe,1982; Шуберт, 1983; Подани, 1983; Рожков, Михайлова,1989). Как показали наши исследования, в условиях слабого хронического загрязнения, накопление серы в хвое сосны может служить достаточно информативным показателем загрязнения окружающей среды соединениями серы еще до появления видимых признаков повреждения. Результаты данной работы послужили основой для проведения работ в районе экстремальных климатических условий в зоне переноса аэротехногенных выбросов Норильского горно-металургического комбината, состоящих, главным образом, из диоксида серы (96-98%). Целью работы было выяснение дальности распространения поллюлантов и определение состояния древостоев в зоне их переноса по накоплению общей серы в хвое и листьях основных видов растительности.

При определении уровня загрязнения территории с помощью аккумулятивных биоиндикаторов важнейшим условием является выбор чувствительных растений и установление фонового уровня загрязняющего вещества в растении-индикаторе. Анализ литературных данных показал, что фоновое содержание серы в хвое ели варьируется в широких пределах - О,04-0, 17% и для каждого региона имеет свой размах колебаний, обусловленный климатическими и эдафическими условиями произрастания. Сопоставление литературных данных с результатами

15

химического анализа хвои ели сибирской (Picea obovata Ldb. ), собранной в различных точках района исследований дало возможность выявить условно чистые насаждения произрастающие в 190-285 км от источника эмиссии, в бассейнах рек Эндэ и Тенегда. Содержание серы в хвое ели из этих районов равное О,0 9-0, 10% соответствует указанным в литературе фоновым количествам.

Сведении о содержании серы в хвое лиственницы сибирской (Larix sibirica Ldb. } в литературе не встречалось. Поэтому за фоновый уровень было принято содержание серы в хвое лиственниц, произрастающих в условно чистых районах, выделенных по содержанию серы в хвое ели, - 0, 18-0, 25%. Аналогичный уровень концентрации серы у лиственниц обнаружен в древостоях, произрастающих в бассейне р. Горбнячин, и в окрестностях г. Дудинка и п.Хатанга.

Фоновое содержание серы в листьях различных видов берез по литературным данным колеблется в пределах 0, 16-0,22%.

Результаты химического анализа образцов хвои и листьев, собранных в зоне аэротехногенного загрязнения и визуальная оценка жизненного состояния деревьев позволили выделить три уровня загрязнения исследованной территории.

Анализы показали, что слабо загрязнены древостой произрастающие в бассейнах рек Фокина, Тукаланда, Кулюмбе, восточной части оз.лама, бассейне оз. Собачье. Содержание серы в хвое елн, лиственницы и листьях березы соответственно - 0, 16-0,35%; О, 26-0, 30%; 0,26-0,35% - в 1,2-1,5 раза выше фонового уровня.

Умеренно загрязнены насаждения в окрестностях г. Талнаха, бассейнах рек Аякли, Нералах, Моген, на правом берегу и в устье реки Кита-Ирбо, озер Мелкое, Глубокое, М. Хантайское, северо-западной части оз.лама, Кета и северо-восточной части Хантайского водохранилища. В хвое ели, лиственницы, листьях березы серы накапливается в 1,5-2 раза выше фонового уровня и составляет соответственно -о, 24-о, 29'Л; О, 30-0, 39%; О, 35-0, 43%. Кроме того, растительность имеет видимые признаки повреждения.

Сильно загрязнены древостой в окрестностях г. Норильска, западной части оз.мелкое, долине р. Рыбная, на юго-восточной окраине оз. Кета. В этих районах содержание серы в хвое ели - 0,30-0, 42%; в хвое лиственницы - 0, 40-0, 48%; листьях березы - 0,43-0,48%, что в 2-2, 5 раза превышает фоновый уровень. Для этой зоны типичны погибающие или сильно ослабленные деревья.

для предтундровых редкостойных лесов кроме древесных пород

16

необходимо иметь растения-индикаторы среди других видов растительности - кустарников н напочвенных липайннков. Установлены фоновые концентрации серы для березы карликовой (Betula nana L. ) - О, is%; ольхи кустарниковой (Duschekia fruticosa (Rupr. )Pouzar) - 0. I7'í; багульника (Ledum palustre L. ) - 0, 14%; можжевельника (Juniperus sibirica Burgsd. ) -0, 11%; различных видов ив (Salix spp. )- 0,29%.

Показано, что уровень накопления серы в хвое и листьях кустарников в различных зонах загрязнения аналогичен древесному ярусу, однако более информативны для экспертных оценок состояния среды береза карликовая и ольха кустарниковая.

В талломе напочвенных лишайников рода Cladina количество серы равно: в зоне слабого загрязнения - 0,06%; умеренного - 0,09-0, 13'i и сильного - 0, 17%.

Таким образом на основании анализа содержания серы в хвое и листьях основных древесных и кустарниковых пород на исследованной территорию можно выделить 4 зоны: условно чистую; зону слабого загрязнения, где отсутствуют видимые признаки повреждения; умеренного загрязнения, где отмечаются видимые признаки повреждения растительности; сильного загрязнения, где наблюдается значительное поражение или даже гибель древесного яруса. Каждой зоне соответствует определеное количество серы (табл. 3).

Таблица 3.

Содержание серы в хвое и листьях древесных и кустарниковых пород в разных зонах загрязнения, % к абс.-сух. массе.

Условно чистая Слабое загрязнение умеренное загрязнение сильное загрязнение

ель 0, 09-0, 10 0, 16-0, 23 0, 24-0, 29 0, 30-0, 42

лиственница 0, 18-0, 25 0, 25-0, 30 0, 30-0, 39 0. 40-0. 4S

береза 0, 16-0, 22 0, 26-0, 35 0, 35-0, 43 0, 43-0, 48

береза карликовая 0, 18-0, 20 0, 20-0, 25 0, 26-0, 32 0. 36-0, 47

ольха кустарниковая 0, 17-0, 20 0, 22-0, 26 0, 27-0, 32 0. 33-0, 39

лишайники 0, 02-0, 04 0. 06-0, 08 0. 09-0, 13 0, 14-0, 1 7

На основании полученных данных составлена карта-схема загрязнения района переноса техногенных выбросов НГМК. при усилении тех-

17

ногенной нагрузки и накоплении загрязнителей в почве и растениях произойдет усыхание лесов в зоне умеренного загрязнения в ближайшие ю лет. В зоне слабого загрязнения в группу риска следует выделить перестойные древостой с деревьями пораженными стволовой гнилью. В этих лесах необходимо постоянное слежение за состоянием насаждений и проведение специальных лесоводственных мероприятий.

ВЫВОДЫ

1. Слабое хроническое загрязнение атмосферы (в пределах ПДК для хвойных) в зависимости от возраста деревьев вызывает различные морфологические реакции. Ю-15-летний подрост сосны не имеет морфологических изменений в кроне. У средневозрастных деревьев наблюдается уменьшение охвоенности побегов старших возрастов и наличие некрозов кончиков хвои. У 90-летних сосен присутствуют все признаки повреждения техногенными выбросами: снижение линейного прироста побегов, уменьшение длины и массы хвои, некрозы кончиков хвои, особенно в верхней части кроны.

2. У сосен, произрастающих в условиях загрязнения атмосферы, наблюдается повышенное накопление азота в хвое, которое сопровождается некоторым увеличением концентрации фосфора и калия за счет поступления этих элементов из почвы, что является защитной реакцией дерева в ответ на поглощение токсических газов из воздуха.

3. Фоновым уровнем содержания серы в хвое сосны обыкновенной, отражающим трофические условия произрастания, является концентрация 0,08-0,11% от сухой массы хвои.

4. Хвоя сосен, растущих в условиях загрязнения, накапливает количество серы в 1.5-2 раза превышающее фоновый уровень. Содержание серы колеблется по годам, в течении вегетации, а также в зависимости от возраста хвои. Максимальное количество серы содержится в однолетней хвое после зимнего периода.

5. Содержание серы в хвое сосен более обусловлено возрастом дерева, нежели положением в древостое. Максимальное количество серы. в 1,5-2,5 раза выше фона, накапливается в хвое подроста; в хвое средневозрастных сосен содержание серы в 1,5-2 раза выше фонового уровня. У 90-летних сосен количество серы превышает фоновый уровень в 1, 3-1, 9 раза.

6. Устойчивость сосны к действию двуокиси серы в концентрации близкой к ПДК для хвойных пород, обусловлена способностью ос-

18

вобождаться от избытков серы в период вегетации.

7. Химический состав загрязнителей в условиях слабого техногенного воздействия играет значительную роль в устойчивости деревьев. Присутствие большого количества окислов магния, калия, кальция в выбросах при сжигании канско-ачинских углей обеспечивает нейтрализацию кислых газов в воздухе и анионов на поверхности хвои. Нейтральная и слабо мелочная реакция водорастворимых соединений, выпадающих на хвою, предохраняет ее от кислотных ожогов.

8. Повреждающее действие токсических газов в большей мере проявляется в наветренной части древостоя. По сравнению с центром массива, деревья имеют пониженный прирост побегов, большее количество некрозов хвои и более раннее ее опадение. Одновременно с этим сосны на наветренной окраине накапливают на поверхности хвои, ветвей и ствола большее количество загрязнителей.

9. Выявление характера и динамики накопления серы в хвое и сопоставление этих данных с морфологическими изменениями в кроне, позволило рекомендовать сосну обыкновенную в качестве аккумулятивного биоиндикатора загрязнения атмосферного воздуха соединениями серы. Кроме того, при оценке санитарно-гигиенических функций сосновых древостоев необходимо учитывать количество загрязнителей, оседающих на коре побегов и ствола, что также может служить индикатором загрязнения атмосферы.

10. При монозагрязненни атмосферы диоксидом серы в условиях приполярного Севера в качестве аккумулятивных индикаторов загрязнения окружающей среды можно рекомендовать ель сибирскую и лиственницу сибирскую, а на сильно нарушенных территориях - березу карликовую и ольху кустарниковую, для этих пород определено фоновое содержание серы в листьях и хвое. По уровню накопления серы и степени повреждения растительности выделено три уровня загрязнения: слабое, умеренное и сильное.

Список работ, опубликованных по теме диссертации

1. Морфо-физиологическая оценка состояния разновозрастных деревьев сосны обыкновенной в условиях постоянного действия выбросов ТЭЦ. //Мониторинг лесных экосистем: Тез. докл. научи, конф. -Каунас, 1986. -С. 222.

2. Влияние выбросов тепловой электростанции на содержание основных макроэлементов в разновозрастной хвое сосны обыкновенной//

19

Проблемы экологического мониторинга и моделирования экосистем. -Ленинград: Гидрометеоиздат, 1986. -Т. IX. -С. 31-43. (в соавторстве с г. И. Гире)

3. Влияние промышленных выбросов на состояние сосны обыкновенной //Тез. Всесоюзн. сов. по проблемам общей биогеоценалогии. -м. , 1986. -с. 23-25. (в соавторстве с Г. И. Гире)

4. Аккумулирующая способность и морфологические реакции сосны обыкновенной на действие выбросов ТЭЦ, работающей на канско-ачинских углях//Пути решения проблем сокращения выбросов в атмосферу на тепловых электростанциях: Тез. докл. Всесоюзн. конф. -Красноярск, 1987. -С. 61-63. (в соавторстве с Г. И. Гире)

5. Bioindication of damages in Pinus sylvestris L. within the active zone of heat power station//Bioindicatores Deteriorisa-tionis Regionis. Abstracts. - Ceske Budejovice. -1988. -P. 63.

i with Girs С. I. )

6. Состояние разновозрастных деревьев сосны обыкновенной, сформированных в условиях постоянного действия промышленных выбросов/ /Растения и промышленная среда: Тез. докл. I Всесоюзн. научн. конф. - Днепропетровск, 1990. -С. 20 (в соавторстве с Г. И. Гире).

7. динамика накопления серы древесными породами, растущими в -зоне влияния выбросов тепловых электростанций// Современное состояние биоценозов зоны КАТЭКа. - Ленинград: Гидрометеоиздат, 1990. -с. 1 40- 152. (в соавторстве с Г. И. Гире)

8. толерантность сосны обыкновенной в зоне выбросов электростанции, работающей на угле. / /Изв. СО АН СССР. Сер. биолог, наук. -¡990. т. -с. 105-112. (в соавторстве с Г. И. Гире)

9. диагностика состояния насаждений, подверженных действию техногенных выбросов тепловых электростанций. (Рекомендации и прогноз)// -Красноярск, 1990. -37с. (коллектив авторов)

10. Цнтогенетическая характеристика сосны обыкновенной (Pinus silvestris L. ) в районе выбросов тепловой электростанции//Изв. СО АН СССР. Сер. (>иол. наук. - 1990. -1*3. -С. 36-41. (в соавторстве с f.. н. Муратовой)

11 Онтогенетическое изучение сосны обыкновенной (Pinus silvestris L. ) в районе выбросов тепловой электростанции//Экологическая физиология хвойных. Тез. докл. Межд. симп. -Красноярск, 1991. -с. 100-101. (в соавторстве с Е.Н.Муратовой)

12 Роль древесных насаждений в оздоровлении атмосферного воздуха промышленных районов//Проблемы использования канско-ачннских

20