Введение
Роль атмосферы в природных процессах огромна. Наличие вокруг земного шара атмосферы определяет общий тепловой режим поверхности нашей планеты, защищает ее от вредных космического и ультрафиолетового излучений. Циркуляция атмосферы оказывает влияние на местные климатические условия, а через них - на режим рек, почвенно-растительный покров и на процессы рельефообразования. Чистый воздух необходим для жизни человека, растений и животных. Атмосферные загрязнения оказывают отрицательное влияние на живые организмы, что приводит к сокращению численности, видового разнообразия животных и растений, заболеваемости человека.
К первой группе относятся кислород (21 % по объему), азот (около 78%) и благородные газы (около 1 %). Ко второй группе относятся диоксид углерода (0,02 - 0,04%) и водяной пар. К третьей группе относятся случайные компоненты, определенные местными условиями. Так, вблизи металлургических заводов воздух часто содержит диоксид серы, техногенные примеси тяжелых металлов; в местах, где происходит распад органических остатков, - аммиак и другие, газообразные и жидкие вещества.
В результате антропогенного воздействия на атмосферу возникают:
· локальная или региональная загазованность приземного слоя;
· трансграничный перенос
загрязнений на значительные расстояния;
· различные глобальные (общепланетарные) эффекты
,
· загрязнение лито- и гидросферы
как результат процессов естественного самоочищения атмосферы.
Одним из способов контроля состояния атмосферы и всей окружающей среды является экологический мониторинг [1].
Показателями состояния среды и ее компонентов могут быть и представители органического мира – бактерии, грибы, животные или растения.
Способ оценки состояния окружающей среды и антропогенной нагрузки с помощью живых организмов и их сообществ называется биоиндикацией.
Любая водная экосистема, находясь в равновесии с факторами внешней среды, имеет сложную систему подвижных биологических связей, которые нарушаются под воздействием антропогенных факторов. Прежде всего, влияние антропогенных факторов, и в частности, загрязнения отражается на видовом составе водных сообществ и соотношении численности слагающих их видов.
Подчеркивая всю важность биоиндикационных методов исследования, необходимо отметить, что биоиндикация предусматривает выявление уже состоявшегося или происходящего загрязнения окружающей среды по функциональным характеристикам особей и экологическим характеристикам сообществ организмов.
Насаждения являются обязательным составляющим современной, культурной урбосреды, но испытывают на себе повышенное антропогенное воздействие. В связи с этим необходимо отслеживания состояния насаждений и окружающий среды. Методы фитоиндикации сочетают мониторинг насаждений и выявление реакции растений на различные загрязнители с отслеживанием экологической обстановки [2,8].
Цель работы: рассмотреть применение сосны обыкновенной в качестве биоиндикатора состояния лесных фитоценозов.
Задачи:
1. биоиндикационное исследование лесного сообщества зеленой зоны г. Тольятти.
2. провести анализ степени влияние продуктов сжигания попутного газа при добыче нефти на репродуктивное состояние сосновых древостоев в северотаежной подзоне.
1.
Методы фитоиндикации.
В течение ряда лет выполнялось биоиндикационное исследование в лесном массиве в районе Портпоселка г Тольятти.
При выборе растения-биоиндикатора учитывают ценотическую значимость вида, отдавая предпочтение видам-доминантам, имеющим большую численность и биомассу либо видам-эдификаторам, определяющим лицо фитоценоза и влияющим на существование других растений. Поэтому была выбрана сосна обыкновенная, являющаяся доминантной лесообразующей породой в нашем регионе.
Родовое название — от латинского pin — скала, гора, латинское sylvestris — лесной от sylva — лес.
У сосны древняя история. Она появилась на Земле 150 миллионов лет назад. За это время неоднократно менялся лик планеты: наступали и отступали ледники, появлялись на свет и исчезали многие виды растений и животных, а их современница — сосна — преодолела время, зацепилась корнями за землю и дожила до наших дней.
Это вечнозеленое хвойное дерево семейства сосновых, достигающее в высоту 40 м. Кора красно-бурая, на ветвях желтоватая, отслаивающаяся. Почки удлиненно-яйцевидные, заостренные, длиной 6—12 см, смолистые, окруженные треугольно-ланцетовидными чешуями с прозрачным пленочным краем. Хвоя располагается попарно, сизо-зеленая, несколько изогнутая, жесткая, длиной 4—7 см, сохраняется на побегах 2-3 года. Мужские шишки многочисленные, желтые, собранные у основания побегов текущего года, женские—красноватые, одиночные или сидячие по 2—3 на загнутых книзу коротких ножках. После оплодотворения шишки разрастаются, деревенеют, созревают в течение 18 мес. Семена удлиненно-яйцевидные, длиной 3—4 мм, с крылом, длина которого в 3 раза превышает длину семени. Корневая система с глубоко идущим главным корнем.
Сосна характеризуется большой морфологической изменчивостью и образует большое число форм. Растет быстро, особенно в молодом возрасте (до 30—40 лет). Прирост в высоту в благоприятных почвенно-климатических условиях достигает 70—80 см в год. Доживает сосна обыкновенная до 350—400 лет.
Сосна — одна из основных лесообразующих пород нашей страны. Сосновые леса занимают площадь около 120 млн. га. Растет на песчаных, супесчаных, подзолистых, дерновых, черноземовидных, глеевых и торфяно-болотных почвах. Встречается также на щебнистых почвах, на известняках, меловых и скальных обнажениях. Благодаря широкой экологической амплитуде распространена от лесотундры до степной зоны. Поднимается до высоты 1500 м над уровнем моря на Алтае и до 1800 м в Саянах. Светолюбива, морозоустойчива, засухоустойчива. В благоприятных условиях сосна — дерево первой величины, образует насаждения высшего класса бонитета; при избыточном увлажнении, на торфяно-глеевидных почвах, на очень сухих дюнных всхолмленных или на скальных обнаженных — это искривленное, сучковатое дерево, высота которого в 100-летнем возрасте не превышает 5 м. В горах иногда принимает етланиковую форму.
Считается, что для условий лесной полосы России наиболее чувствительны к загрязнению воздуха сосновые леса. Это обусловливает выбор сосны как важнейшего индикатора антропогенного влияния, принимаемого в настоящее время за «эталон биодиагностики».
Сосна, а также ель, пихта являются чувствительными индикаторами воздействия диоксида серы. Под воздействием сернистого ангидрида кончики хвои становятся темно-бурыми.
Работа проводилась одновременно тремя группами по шесть человек для обеспечения достоверности результатов. Рассматривая автомагистраль как основной линейный источник загрязнения, выбрали три маршрута с разной удаленностью от источника – улица Комзина по обе стороны от трассы. Каждая группа вела подсчет образцов растений на всех шести маршрутах, по три с каждой стороны автомагистрали. Ближайшие маршруты находились в непосредственной близости к трассе, до 10 метров, следующие – на расстоянии 30-50 метров от трассы и наиболее удаленные – на расстоянии чуть более 100 метров. Выбор маршрутов делался с привязкой к местности (наличие троп) и с учетом, что, согласно литературным данным, влияние выброса автотрассы локализуется на расстоянии 30-50 метров от источника, далее становясь фоновым. Каждая группа подсчитывала на рассматриваемом маршруте общее количество образцов – сосен, принимая это количество равным 500 экземплярам, из них – количество образцов с повреждениями – бурой хвоей, отдельно визуально оценивался процент повреждения в образце. Результаты работы представлены в таблице 1. Данные трех групп усреднялись, что отражено в таблице, и анализировались.
Предприятия нефтегазодобывающей отрасли в Западной Сибири оказывают отрицательное воздействие на состояние лесов региона. Это усугубляется тем, что промышленные объекты густой сетью распределены на обширных территориях.
Установки для сжигания попутного газа (факелы) являются также мощным источником тепла и оказывают влияние не только на сопредельные участки, но и на климат в локальном масштабе. При этом 65% продуктов углеводородного загрязнения рассеиваются в атмосферу, 20% - поступают в водные бассейны и 15% - в почву. Согласно литературным данным, генеративные органы хвойных пород, в том числе и сосны обыкновенной, очень чувствительны к различным токсинам. Формирующиеся репродуктивные структуры острее реагируют на загрязнение, чем метамеры вегетативной системы. Поэтому изменения в генеративной сфере сосны обыкновенной могут служить чувствительным индикатором загрязнения окружающей среды, а также использоваться при организации семенного хозяйства и селекции в поврежденных лесах.
Согласно лесорастительному районированию Е. П. Смолоногова, А. М. Вегерина (1980), объект исследований расположен на территории Пуровско-Среднеобского лесорастительного района сосновых зеленомошно-кустарничково-лишайниковых приречных и заболоченных лесов и междуречий подзоны северотаежных лесов лесной зоны Надым-Пуровской лесорастительной провинции Западно-Сибирской лесорастительной области. Климат в районе исследований определяется как континентальный и суровый. Средняя годовая температура составляет -3°
С, средняя многолетняя температура в январе -22°
С, в июле +17°
С. Исследования проводились на территории Покачевского месторождения нефти, площадь которого составляет 26154 га. На данной территории установка для сжигания попутного газа функционирует с 1981года. Согласно официальным данным Нефтегазодобывающего управления (НГДУ) «Покачевнефть», содержание загрязняющих веществ в атмосферном воздухе (предельные углеводороды, моноксид серы, сажа) не превышает ПДК, но их присутствие носит хронический характер.
Как видно из рисунка 1, различия по концентрации загрязняющих веществ на разном удалении от факела практически отсутствуют. Следовательно, уровень концентрации загрязнителей не является главным средообразующим фактором, оказывающим влияние на состояние основных компонентов лесных экосистем в данных условиях. Поэтому выделение зон с тем или иным уровнем загрязнения, что широко и успешно используется при оценки влияния воздушных выбросов предприятий более высоких мощностей на состояние окружающей среды в данном случае нецелесообразно. В тоже время факельные установки оказывают сильное тепловое воздействие на окружающую среду. В этой связи тепловое излучение является одним из ведущих экологических факторов, оказывающих влияние на изменение характеристик элементов леса. Были условно выделены зоны степени поражения сосновых древостоев, произрастающих на различном удалении от факела, в основу которых положено использование таких морфологических параметров компонентов леса, как категория жизненного состояния кроны деревьев, степень дефолиации, наличие эпифитных лишайников и т.д.
| Вещество |
Расстояние до факела, м |
Р0,95
|
|
| 100 |
250 |
||
| Диоксид азота |
0,00205 |
0,00205 |
3,3 |
| Диоксид серы |
0,02231 |
0,02259 |
4,7 |
| Сажа |
0,025 |
0,025 |
2,5 |
Рисунок 1. Таблица концентраций загрязняющих веществ (по данным НГДУ «Покачевнефть»), мг/м³
На различном удалении от факельной установки (100 м - зона сильного поражения, 150 м - среднего, 250м - слабого) заложены три постоянные пробные площади (ППП). Исследуемые насаждения представлены сосняком лишайниковым естественного происхождения 120-130-летнего возраста. Отличие между ППП состоит в степени поврежденности древостоев в результате комплексного воздействия факельной установки.
| Категория жизненного состояния |
Расстояние от факела, м |
||
| 100 |
150 |
250 |
|
| Здоровые |
_ |
10 |
20 |
| Ослабленные |
5 |
45 |
55 |
| Сильно ослабленные |
10 |
35 |
25 |
| Усыхающие |
65 |
10 |
0 |
| Сухостой |
20 |
0 |
0 |
Рисунок 2. Таблица распределения модельных деревьев сосны обыкновенной по категориям жизненного состояния кроны в исследуемых насаждениях, %.
Оценка деревьев сосны обыкновенной по категориям жизненного состояния кроны осуществлялась по следующей шкале: здоровые деревья – без видимых признаков ослабления жизнедеятельности, в нижней части крон могут быть отдельные сухие ветви 1-го порядка; ослабленные деревья – крона ажурная, доля сухих или явно усыхающих ветвей в кроне от их общей массы составляет до 25%; сильно ослабленные деревья – крона в сильной степени ажурная, масса сухих или явно усыхающих ветвей до 35%; усыхающие деревья – доля сухих и явно усыхающих ветвей до 75%; сухостой – доля усохших и явно усыхающих ветвей более 75%.
В апреле 1998 года с шестидесяти семеносящих деревьев (по двадцать деревьев на каждой ППП) были собраны образцы шишек. Изучение состояния женской репродуктивной сферы деревьев сосны обыкновенной проводили по комплексу 28 морфофункциональных признаков, список которых приводится в таблице 4. С каждого дерева анализировали по 20-30 шишек. Для опосредованной оценки генетической обусловленности метамерных количественных признаков женской репродуктивной системы сосны обыкновенной рассчитывали коэффициент повторяемости, как соотношение эндогенной и индивидуальной форм изменчивости с использованием модели однофакторного дисперсионногоанализа. Коэффициент повторяемости (Р
) служит для опосредованной оценки генетической обусловленности полигенных морфологических признаков, характеризующихся метамерностью, а также позволяет установить верхний порог наследуемости последних и рассчитывается по формуле:
P
=
V
1
/
V
1
+
V
2
,
Где V
1
– межиндивидуальная компонента дисперсии;
V
2
– внутрииндивидульная компонента дисперсии.
Изучение состояния женской генеративной сферы показало, что за редким исключением между зонами поражения достоверных различий в параметрах не наблюдается. По характеру наполненности шишек семенами в зависимости от исходного числа потенциально фертильных семяпочек все семеносящие деревья на ППП представлены исключительно высокочереззерными формами.
По мере нарастания уровня загрязнения прослеживается тенденция к увеличению числа семяпочек, погибших до оплодотворения, а также к уменьшению числа полнозерных семян, выживаемости семяпочек за весь гаметофитный, в первый вегетационный и эмбриональный периоды. В зоне среднего и слабого поражения сохранность семяпочек во 2-й вегетационный период выше, чем в зоне сильного поражения. Наблюдается небольшое снижение массы 1000 шт. семян в зоне сильного поражения.
2.
Результаты исследований.
2.1. Фитоиндикация.
Фитомониториг в отличие от точечных инструментальных методов позволяет оценивать влияние загрязнителей на сообщества, и давать представление о длительном воздействии загрязнителей, и прогнозировать их дальнейшее влияние. Кроме этого, существующие нормативы ПДК основываются на реакциях животных организмов, в то время как пороговые концентрации ряда растений являются более низкими. Все это позволяет утверждать, что фитомониторинг необходим для объективной оценки экологической ситуации городской среды.[6].
Фитомониторинг строится на основе ответных реакций растений на весь комплекс условий местообитания, несводимый непосредственно на влияние техногенного загрязнения. Выявление влияния техногенных условий, производится путем сравнения исследуемых городских сообществ с природными аналогами или внесением растений в загрязненную область. В случае наличия в сообществе видов-интродуцентов, необходимо учитывать уровень отклонения условий в данном климате от оптимума. Так как, ответные реакции на загрязнение наблюдается у всех растений, то необходимо выделить наиболее удобные для индикации виды и признаки. Применение фитоиндикации, по сравнению с инструментальными методами имеет ряд недостатков, в частности, в быстро меняющихся условиях -присутствует некоторая необъективность, и отклонение результатов особенно в годы с экстремальными условиями. Ощутимым минусом является, то, что при использовании для анализа урбосреды, нужно следить за всеми компонентами системы, и любое их изменение может привести к сбою системы анализа.[6,9].
Фитоиндикация может осуществляться на разных уровнях организации.
Уровни фитоиндикации:
1. биохимические и физиологические реакции растительного организма;
2. анатомические и морфологические изменения;
3. изменение популяции растений;
4. флористические изменения;
5. фитоцинотические изменения;
6. изменения ландшафтов.
В практике фитоиндикации чаще всего учитывают анатомо-морфологические изменения растений.
Различают микроскопические изменения и макроскопические изменения, применяемые в фитоиндикации.
Микроскопические изменения:
1. изменение размеров ветки (у сосен, поврежденных диоксидом серы, отмечается увеличение клеток смоляных каналов);
2. плазмолиз;
3. изменение степени ксероморфизма листьев;
4. изменение структуры древесины.
Макроскопические изменения:
1. изменение окраски листьев (хлороз) – явление неспецифичной реакцией на стрессоры:
· хлороз – бледная окраска листьев между жилками (у хвои и сосны – даже при слабой загазованности атмосферы);
· пожелтение краев или участков листьев;
· побурение или побронзовение у лиственных деревьев, что нередко является начальной стадией тяжелых некротических повреждений (у хвойных – это проявляется при значительных дымовых повреждениях).
· покраснение – накопление антоциана в виде пятен на листьях растений;
· изменение окраски, при которой листья создают впечатление, как пропитанные водой.
· серебристая окраска листьев.
2. некрозы – отмирание ограниченных участков ткани;
3. дефолиация, то есть опадение листьев, наблюдается обычно после появления хлорозов и некрозов;
4. изменение размеров органов растений (у сосен хвоя удлиняется под действием нитратов и ускоряется под действием диоксида серы);
5. изменение формы, количества и положения органов растения;
6. изменение направления роста и формы ветвления (изрежевание кроны у поврежденных дымом хвойных деревьев);
7. изменение прироста;
8. изменение плодовитости при действии антропогенных факторов наблюдается у большинства растений.
При определении анатомо-морфологических изменений необходимо учитывать, что некоторые естественные факторы могут вызывать симптомы, сходные с антропогенными нарушениями. Поэтому при фитоиндикации следует учитывать предшествующие погодные условия, наличие вредителей и болезней.
При создании системы фитомониторинга нужно использовать ряд принципов
позволяющих получать наиболее объективную информацию:
· Определение генезиса существующих насаждений.
· Составление перечня видов городских насаждений.
Все методы фитоиндикации, можно разделить на две группы:
1. Выявление наиболее устойчивых к токсикантам видов.
2. Подбор наиболее чувствительных растений к действию токсикантов и определение степени загрязнения атмосферу по ответным реакциям конкретных видов.
При использовании растительных сообществ в качестве индикаторов условий местообитания и состояния окружающей среды необходимо рассмотреть наиболее существенные свойства фитоценозов. Они раскрываются через описание видового состава сообществ и выявления его структуры на пробных площадях 400–500 м2 для лесного таежного фитоценоза и 100 м2 для травянистых сообществ (лугов). Растительность верховых сфагновых болот, отличающаяся комплексностью, исследуется методом линейной таксации (экологический профиль от окраины болота к его центру) с описанием сообществ на каждом элементе рельефа (понижение на окраине болота. пологий склон. гряда, мочажина) и установления процентного соотношения между различными типами сообществ по их суммарному протяжению на профиле.[7].
Структура и состав растительных сообществ.
Структура растительного сообщества наиболее ярко проявляется в его вертикальной ярусности. Она характерна для всех типов наземной растительности: лесов, лугов, болот и т.д. Ярусы выделяются по жизненным формам (деревья, кустарники, кустарнички, травянистые растения).
Наиболее сложна структура лесного сообщества, в котором выделяют древесный, кустарниковый, травяно-кустарничковый и мохово-лишайниковый ярусы.
Древесный ярус объединяет все виды растений, жизненная форма которых дерево. Однако различают деревья 1, 2 и 3 - ей величины.
Можжевельник обыкновенный (Yuniperus communis) является деревом 3-й величины (при неблагоприятных условиях можжевельник снижает жизненность, принимая кустарниковую форму).
Рябина обыкновенная (Sorbus aucuparia), черемуха обыкновенная (Prunus avium), ива козья (Salix caprea) – деревья 2-й величины, все остальные виды (ель европейская Picea abies, сосна обыкновенная Pinus sylvestris, береза повислая Betula pendula, береза пушистая B. pubescens, осина Populus tremula, липа сердцелистная Tilia cordata и др.) - деревья 1-й величины. При одинаково благоприятных условиях деревья 2-й и 3-й величины никогда не достигают высоты деревьев 1-й величины. Величина деревьев, как и других растений, – биологическое свойство, определяющее подразделение ярусов на подъярусы. [7,8].
Одновременно одна и та же древесная порода в зависимости от конкретной высоты образует полога – высотные структурные подразделения древесного яруса. Господствующие и исключительно господствующие деревья относятся к 1-му пологу, 2-й и 3-й полога включают деревья, высота которых соответственно составляет 3/4 и 1/2 от высоты 1-го полога. Для древостоя в целом и его пологов указывается сомкнутость крон, определяемая глазомерно по соотношению площадей неба, закрытого проекцией крон, и просветов. Выражается сомкнутость в десятых долях от единицы. Составляется также формула древостоя на основе количественного учета стволов всего древостоя и отдельно для каждого полога. Формула древостоя показывает долю участия каждого вида древесной породы в сложении древостоя или его конкретного полога. Например, на пробной площади лесного сообщества зафиксировано 56 стволов ели европейской, 20 стволов сосны обыкновенной и 5 стволов березы повислой – всего 80 стволов, что составляет 100% или 10 единиц, как принято в лесоводстве. На долю ели, сосны, и березы соответственно приходится 68,8%; 25,0% и 6,2 %. Формула древостоя (округляя проценты) выглядит следующим образом: 7Е3С+Б (если доля какой-то древесной породы менее 10%, то указывается ее присутствие знаком (+). Аналогичным образом определяется формула древостоя для каждого полога. Формулы древостоя (и пологов) удобнее для сравнения особенностей структуры различных сообществ, чем сравнение по абсолютному количеству стволов каждой древесной породы.[1,5].
Очень важна характеристика подроста, к которому условно относятся молодые экземпляры деревьев с высотой, составляющей 1/4 от преобладающей высоты (при высоте древостоя 24 м к подросту относятся экземпляры до 6 м). В свою очередь подрост также по высоте подразделяется на полога. Между подростом и материнским древостоем существуют сложные взаимоотношения, но подрост – это потенциальный материал для восполнения отпада в материнском древостое и обеспечения его возобновления.[2].
Кроме вертикальной структуры многим растительным сообществам характерна также горизонтальная и временнaя (сезонная) структура. Горизонтальная структура фитоценоза проявляется в мозаичности ценоэлементов, т.е. в наличии мелких групп растений, различающихся по составу, обилию видов, их жизненности. Ценоэлементы горизонтальной структуры называются микрогруппировками. Горизонтальная структура обусловлена 3-мя группами факторов:
· мелкими неоднородностями условий среды в пределах одного экотопа (экотопическая мозаичность);
· прямым и косвенным влиянием хозяйственной деятельности человека (антропогенная мозаичность);
· особенностями биологии самих растений, например, разрастание отдельных видов (фитогенная мозаичность), а также ценобиотическая мозаичность, возникающая как результат взаимодействия растений в сообществе (распределение растений под пологом леса при его неравномерной сомкнутости).
Временнaя структура фитоценоза выражается в том, что на одной территории в разные сроки вегетационного периода развиваются сезонные группы растений, называемые синузиями, которые объединяют виды растений со сходным ритмом развития. Ярким примером временнoй синузии являются синузия эфемеров и эфемероидов в пустынях, степях, широколиственных лесах. В наших лесах на дерново-карбонатных почвах с близким залеганием известняков ранней весной такую синузию образуют обильно цветущие первоцветы: ветренница лютичная (Anemone ranunculoides), медуница неясная, (Pulmonaria obscura), перелеска благородная (Hepatica nobilis) и др.
Разнообразные формы структуры растительного сообщества имеют большое значение не только для функционирования конкретного фитоценоза, но и для биогеоценоза (экосистемы) в целом. Благодаря сложности структуры фитоценоза более полно используется разнообразие условий среды, что обеспечивает полночленность фитоценоза и увеличивает его устойчивость к неблагоприятным факторам внешней среды и к конкурентным взаимоотношениям с соседними сообществами.
Условия существования в пределах разных ярусов различны. Верхний ярус находится под наибольшим воздействием климатических условий. Условия существования растений нижних ярусов (кустарникового, травяно-кустарничкового, или травянистого, мохово-лишайникового) существенно трансформируются фитосредой, особенности которой определяются верхним ярусом. Таким образом, верхний ярус играет средообразующую роль в формировании расположенных под ним других структурных элементов сообщества (ценоэлементов), т. е. является эдификаторным. В эдификаторном ярусе выделяется основная древесная порода, образующая конкретное сообщество, – эдификатор (строитель сообщества
На основе указанных выше показателей определяются фитоценотипы растительных сообществ: эдификаторы – строители сообществ, формируют эдификаторный ярус, основные средообразующие растения, победители в борьбе за существования 1-го ранга; ассектаторы – сопутствующие растения, образующие второстепенные ярусы. Среди ассектаторов выделяются доминанты – группы видов высокого обилия (преобладающие растения).
Таким образом, экологический анализ видового состава растений позволит выявить растения-индикаторы, указывающие на особенности природной среды и протекающих в ней процессов.[6,9].
2.2. Вещества, загрязняющие атмосферный воздух.
Сильнейшее антропогенное воздействие на фитоценозы оказывают загрязняющие вещества в окружающем воздухе, такие, как диоксид серы, оксиды азота, углеводороды и др. Среди них наиболее типичным является диоксид серы, образующийся при сгорании серо содержащего топлива (работа предприятий теплоэнергетики, котельных, отопительных печей населения, а также транспорта, особенно дизельного).
Устойчивость растений к диоксиду серы различна. Даже незначительное наличие диоксида серы в воздухе хорошо диагностируется лишайниками – сначала исчезают кустистые, потом листоватые и, наконец, накипные формы. Из высших растений повышенную чувствительность к S02 имеют хвойные (кедр, ель, сосна). Устойчивы к загрязнению бересклет, бирючина, клен ясенелистный.
Для ряда растений установлены границы их жизнедеятельности и предельно допустимые концентрации диоксида серы в воздухе. Величины ПДК (мг/куб. м): для тимофеевки луговой, сирени обыкновенной - 0,2; барбариса - 0,5; овсяницы луговой, смородины золотистой - 1,0; клена ясенелистного - 2,0 .
Чувствительны к содержанию в воздухе других загрязнителей (например, хлороводорода, фтороводорода) такие растения, как пшеница, кукуруза, пихта, ель, земляника садовая, береза бородавчатая.[1,8].
Стойкими к содержанию фтороводорода в воздухе являются хлопчатник, одуванчик, картофель, роза, табак, томаты, виноград, а к хлороводороду - крестоцветные, зонтичные, тыквенные, гераниевые, гвоздичные, вересковые, сложноцветные.
Воздух как природный ресурс представляет собой общечеловеческое достояние. Постоянство его состава (чистота) - важнейшее условие существования человечества. Поэтому любые изменения состава рассматриваются как загрязнение атмосферы.
Основными ингредиентами загрязнения атмосферы являются оксиды углерода (СО), азота (NOX) и серы (SO2), углеводороды (СnHm) и взвешенные частицы (пыль).
Загрязняющие вещества, выброшенные в воздушный бассейн в виде газов или аэрозолей, могут:
- оседать под действием силы тяжести (крупнодисперсные пыли и аэрозоли);
- физически захватываться оседающими частицами (осадками) и поступать в лито- и гидросферу;
- включаться в биосферный круговорот соответствующих веществ (углекислый газ, пары воды, оксиды серы и азота и прочие);
-изменять свое агрегатное состояние (конденсироваться, испаряться, кристаллизоваться и т.п.) или химически взаимодействовать с другими компонентами воздуха, после чего пойти одним из вышеуказанных путей;
-о находиться в атмосфере относительно длительное время, переносясь циркуляционными потоками в различные слои тропо- и стратосферы и в разные географические области планеты до тех пор, пока не создадутся условия для их физической или химической трансформации (например, фреоны).
Сильнейшее антропогенное воздействие на фитоценозы оказывают загрязняющие вещества в окружающем воздухе, такие, как диоксид серы, оксиды азота, углеводороды и др. Среди них наиболее типичным является диоксид серы, образующийся при сгорании серо содержащего топлива (работа предприятий теплоэнергетики, котельных, отопительных печей населения, а также транспорта, особенно дизельного).
Устойчивость растений к диоксиду серы различна. Даже незначительное наличие диоксида серы в воздухе хорошо диагностируется лишайниками – сначала исчезают кустистые, потом листоватые и, наконец, накипные формы. Из высших растений повышенную чувствительность к S02
имеют хвойные (кедр, ель, сосна). Устойчивы к загрязнению бересклет, бирючина, клен ясенелистный.
Для ряда растений установлены границы их жизнедеятельности и предельно допустимые концентрации диоксида серы в воздухе. Величины ПДК (мг/куб. м): для тимофеевки луговой, сирени обыкновенной - 0,2; барбариса - 0,5; овсяницы луговой, смородины золотистой - 1,0; клена ясенелистного - 2,0 .
Чувствительны к содержанию в воздухе других загрязнителей (например, хлороводорода, фтороводорода) такие растения, как пшеница, кукуруза, пихта, ель, земляника садовая, береза бородавчатая.
Стойкими к содержанию фтороводорода в воздухе являются хлопчатник, одуванчик, картофель, роза, табак, томаты, виноград, а к хлороводороду - крестоцветные, зонтичные, тыквенные, гераниевые, гвоздичные, вересковые, сложноцветные.[1].
Сернистый ангидрид (SO2) – бесцветный газ с резким запахом горелой серы. Нормальная концентрация в тропосфере составляет 0,2. Главным антропогенным источником является сжигание нефти, угля и ископаемого топлива.
Диоксид серы токсичен и для растений, и для животных. Так же диоксид серы влияет и на здоровье человека, приводя к заболеванию дыхательных путей, воспалению носоглотки, слизистой оболочки и бронхиту.
Растениями индикаторами являются: ячмень – реагирует при 0,3-0,5, погибает при такой концентрации за 2-3 часа; при концентрации 0,5 погибают все виды лишайников; у смородины и гортензии наблюдается покраснение листьев при 0,22-0,26.
У хвойных видов (сосна, ель, пихта) при концентрации 0,04 начинается пожелтение и побурение хвои с верхушки.[5].
2.3. Биоиндикационное исследование лесного сообщества зеленой зоны г. Тольятти.
Диоксид серы SO2
входит в группу основных загрязнителей, его концентрация особенно возрастает в пасмурную погоду и при тумане (в 2-5 раз). Максимальная разовая ПДК на SO2
составляет 0,5 мг/м3
, среднесуточная ПДК – 0,05 0,5 мг/м3
, класс опасности вещества – третий. В концентрациях, превышающих ПДК, вызывает воспаление носоглотки, слизистой оболочки, бронхиты, кашель, хрипоту и боли в горле. Не смотря на то, что выбросы предприятий по диоксиду серы возросли с 1997-го по 2005 год примерно в 2-2,5 раза до 5,8 тыс. тонн, превышения ПДК, по данным стационарных постов, расположенных в селитебной части города, выявлено не было. Однако состояние хвойной растительности на рассматриваемом участке говорит об обратном. Причем данные 2004-го и 2005 годов позволяют выявить нарастание кумулятивного эффекта. Сернистый ангидрид выделяется в процессах горения, будь то технологические процессы ТЭЦ, других промышленных предприятий или сгорание топлива в двигателях внутреннего сгорания автомобилей. Как говорилось выше, сернистый ангидрид вызывает пожелтение и отмирание хвои, начиная с кончиков хвоинок и затрагивая в дальнейшем последующие части. Нужно отметить, что существуют и другие виды-биоиндикаторы данного загрязнителя. SO2
вызывает покраснения на листьях смородины и гортензии, потерю листьев у крыжовника, омертвевшие беловатые пятна у тюльпанов, лука, гладиолусов, на листьях салата – разрывы, как от «работы» грызунов, на листьях многих других деревьев также появляются сначала грязно-зеленые, потом бурые пятна. Выбор сосны обыкновенной как биоиндикатора диоксида серы обосновался выше.
| Количество образцов и % повреждения |
Группа, маршрут |
Среднее значения |
||||||||||
| I |
II |
III |
||||||||||
| 1/1’ |
2/2’ |
3/3’ |
1/1’ |
2/2’ |
3/3’ |
1/1’ |
2/2’ |
3/3’ |
1/1’ |
2/2’ |
3/3’ |
|
| Общее количество образцов |
500 |
500 |
500 |
500 |
500 |
500 |
500 |
500 |
500 |
- |
- |
- |
| Количество поврежденных образцов |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
| % поврежденных образцов |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
| Средний % повреждения образцов |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Рисунок 3. Данные наблюдений за 2005 год
Известно, что если поврежденные образцы составляют до 15 процентов в общей массе, то это можно отнести к естественным процессам биологического отмирания, если эти цифры выше, то налицо наличие влияния загрязнения.
Таким образом, в исследовании лесного сообщества зеленой зоны г. Тольятти были выявлены растения-биоиндикаторы, установлено вещество-загрязнитель, выявлены источники загрязнения. Это прежде всего автотрасса, но обнаруживается и общее влияние фоновых концентраций SO2
. С учетом того, что в теплый период года, период вегетации, для г. Тольятти характерно преобладающее направление ветровых потоков северо-запад, запад, ветер дует с промышленной зоны Центрального и Автозаводского районов. Влияние промышленных концентраций диоксида серы от автомагистрали достоверно установлено. Улица Комзина, находясь в зеленой зоне города, имеет недопустимую для данного вида территорий интенсивность автотранспорта, что оказывает свое отрицательное влияние на флористический состав и здоровье населения. Мониторинговое исследование проводилось с учетом пространственного (расстояния от источника) и временного (с ретроспективностью в один год, в один и то же период года) фактора. Данные за два года свидетельствуют о нарастании аккумулятивного эффекта от загрязнения. Предполагается продолжить исследование в последующие годы.
2.4. Влияние продуктов сжигания попутного газа при добыче нефти на репродуктивное состояние сосновых древостоев в северотаежной подзоне.
Большинство признаков женской репродуктивной сферы сосны обыкновенной находится под значительным генотипическим контролем (рис. 4). В тоже время в насаждениях, испытывающих различную степень влияния выбросов факела, доля изменчивости того или иного признака, обусловленная генетическими причинами, различна.
| Признак |
Зона поражения |
||
| сильного |
среднего |
слабого |
|
| 1 |
0,19 |
0,53 |
0,34 |
| 2 |
0,29 |
0,88 |
0,52 |
| 3 |
0,26 |
0,59 |
0,38 |
| 4 |
0,26 |
0,27 |
0,36 |
| 5 |
0,38 |
0,46 |
0,74 |
| 6 |
0,25 |
0,06 |
0,11 |
| 7 |
0,51 |
0,71 |
0,34 |
| 8 |
0,26 |
0,40 |
0,28 |
| 9 |
0,11 |
0,63 |
0,56 |
| 10 |
0,70 |
0,41 |
0,12 |
| 11 |
0,05 |
0,60 |
0,45 |
| 12 |
0,22 |
0,55 |
0,04 |
| 13 |
0,52 |
0,04 |
0,12 |
| 14 |
0,52 |
0,43 |
0,68 |
| 15 |
0,41 |
0,78 |
0,58 |
| 16 |
0,56 |
0,09 |
0,04 |
| 17 |
0,31 |
0,44 |
0,42 |
| 18 |
0,16 |
0,58 |
0,08 |
| 19 |
0,41 |
0,84 |
0,15 |
| 20 |
0,05 |
0,91 |
0,42 |
| 21 |
0,55 |
0,84 |
0,07 |
| 22 |
0,38 |
0,94 |
0,47 |
| 23 |
0,69 |
0,63 |
0,83 |
| 24 |
0,14 |
0,86 |
0,23 |
| 25 |
0,67 |
0,28 |
0,91 |
Рисунок 4. Таблица коэффициентов повторяемости (Р
) признаков женской генеративной сферы сосны обыкновенной.
Наибольшим генотипическим разнообразием по комплексу признаков женской генеративной сферы характеризуется древостой, произрастающий в зоне среднего поражения (зона сильного поражения – Р
ср
= 0,35 ± 0,04; зона среднего поражения - Р
ср
= 0,55 ± 0,05; зона слабого поражения Р
ср
= 0,37 ± 0,05).
| № |
Признак |
Зона поражения |
||
| сильного |
среднего |
слабого |
||
| 1 |
Длина шишки, мм |
29,9 ± 1,04 |
28,8 ± 0,68 |
30,1 ± 0,62 |
| 2 |
Ширина шишки, мм |
14,8 ± 0,36 |
14,5 ± 0,19 |
14,9 ± 0,46 |
| 3 |
Вес шишки, г |
2,5 ± 0,19 |
2,3 ± 0,12 |
2,4 ± 0,12 |
| 4 |
Длина крылатки, мм |
9,6 ± 0,40 |
9,8 ± 0,42 |
10,2 ± 0,40 |
| 5 |
Ширина крылатки, мм |
3,0 ± 0,55 |
3,2 ± 0,18 |
3,0 ± 0,10 |
| 6 |
Длина чешуйки, мм |
14,2 ± 0,55 |
13,6 ± 0,41 |
14,5 ± 0,34 |
| 7 |
Ширина чешуйки, мм |
6,6 ± 0,16 |
6,4 ± 0,25 |
6,7 ± 0,14 |
| 8 |
Высота щитка, мм |
6,6 ± 0,20 |
6,8 ± 0,14 |
6,8 ± 0,16 |
| 9 |
Ширина щитка, мм |
5,8 ± 0,14 |
5,8 ± 0,09 |
5,8 ± 0,10 |
| 10 |
Масса1000 шт. полных семян, г |
2,6 ± 0,19 |
3,0 ± 0,10 |
2,8 ± 0,12 |
| 11 |
Число семяпочек потенциально фертильных, шт. |
37,5 ± 1,43 |
33,6 ± 0,89 |
35,7 ± 1,37 |
| 12 |
Число полнозернистых семян, шт. |
16,8 ± 1,45 |
17,1 ± 0,93 |
19,1 ± 1,13 |
| 13 |
Число пустых семян, шт. |
4,1 ± 0,47 |
3,7 ± 0,61 |
3,5 ± 0,41 |
| 14 |
Число семяпочек, погибших во 2-й вегетационной период, шт. |
1,7 ± 0,52 |
0,8 ± 0,24 |
1,6 ± 0,57 |
| 15 |
Форма шишки (2-й/1-й признаки) |
0,50 ± 0,01 |
0,51 ± 0,01 |
0,50 ± 0,01 |
| 16 |
Форма крылатки (5-й/4-й признаки) |
0,31 ± 0,01 |
0,33 ± 0,01 |
0,30 ± 0,01 |
| 17 |
Форма чешуйки (7-й/6-й признаки) |
0,48 ± 0,02 |
0,47 ± 0,01 |
0,47 ± 0,01 |
| 18 |
Форма щитка (9-й/8-й признаки) |
0,9 ± 0,03 |
0,85 ± 0,01 |
0,85 ± 0,02 |
| 19 |
Общее число семян (12-й + 13-й признаки), шт. |
21,0 ± 1,57 |
20,7 ± 0,81 |
22,7 ± 1,13 |
| 20 |
Число семяпочек, доживших до начала 2-го вегетационного периода (14-й + 19 –признаки), шт. |
22,6 ± 1,35 |
21,6 ± 0,76 |
24,2 ± 0,90 |
| 21 |
Гаметофитная выживаемость семяпочек в 1-й вегетационный период (11-й – 20-й признаки * 100), % |
14,9 ± 1,13 |
12,1 ± 0,63 |
11,4 ± 0,97 |
| 22 |
Гаметофитная выживаемость семяпочек в 1-й вегетативный период (20-й/11-й признаки * 100), % |
60,3 ± 2,72 |
64,1 ± 1,47 |
68,5 ± 1,87 |
| 23 |
Гаметофитная выживаемость семяпочек во 2-й вегетативный период (19-й/20-й признаки * 100), % |
91,3 ± 2,90 |
96,0 ± 1,27 |
93,1 ± 2,57 |
| 24 |
Выживаемость семяпочек за весь гаметофитный период (19-й/11-й признаки * 100), % |
55,6 ± 3,41 |
61,6 ± 1,77 |
64,0 ± 2,62 |
| 25 |
Эмбриональная выживаемость семяпочек (12-й/19-й признаки * 100), % |
78,5 ± 3,23 |
82,8 ± 2,86 |
83,8 ± 2,12 |
| 26 |
Энергия прорастания, % |
28,0 ± 4,55 |
25,6 ± 4,55 |
24,5 ± 4,45 |
| 27 |
Всхожесть семян, % |
38,3 ± 4,78 |
34,7 ± 4,37 |
38,9 ± 5,13 |
| 28 |
Форма апофиза, в баллах по С. А. Мамаеву, 1973 |
1,1 ± 0,08 |
1,1 ± 0,07 |
1,1 ± 0,08 |
Рисунок 5. Характеристика генеративной сферы сосны обыкновенной в исследуемых насаждениях
Особенно отличаются зоны поражения в условиях северной подзоны тайги по степени генотипического разнообразия. Четкой закономерности по сохранности семяпочек в зависимости от степени поврежденности древостоя не выявлено, намечаются лишь тенденции. Полученные данные также свидетельствуют о значительном внутрипопуляционном полиморфизме, характерном для сосны, который по выживаемости семяпочек и другим
репродуктивным признакам во всех исследуемых насаждениях имеет достаточно широкий диапазон изменчивости. Это имеет практическое значение при отборе и селекции наиболее продуктивных и устойчивых форм. Зона среднего поражения может служить в качестве одного из основных источников для испытания семенного и вегетативного материала при лесовосстановлении в генетически деградированных древостоях в условиях северотаежной подзоны для лишайникового типа леса. Для подтверждения состоятельности этой точки зрения необходимы дальнейшие детальные исследования.
В результате проведенных исследований влияния продуктов сжигания попутного газа при добыче нефти на репродуктивное состояние сосновых древостоев в северотаежной подзоне отмечено отсутствие достоверных различий по средним значениям репродуктивных признаков между зонами поражения древостоев под воздействием факельной установки для сжигания попутного газа. Основное различие между пораженными в разной степени древостоями наблюдается в генотипическом разнообразии этих древостоев по репродуктивным признакам, которое более четко проявляется на провокационном фоне до определенного порогового уровня интенсивности воздействия факельной установки. Результаты исследований могут иметь практическое значение при отборе и селекции наиболее продуктивных и устойчивых форм сосны обыкновенной в данных условиях.
Выводы:
1. выполнено биоиндикационное исследование лесного сообщества зеленой зоны г. Тольятти.
2. проведен анализ степени влияние продуктов сжигания попутного газа при добыче нефти на репродуктивное состояние сосновых древостоев в северотаежной подзоне.
Список используемой литературы:
1. Ашихмина Т. А. Экологический мониторинг. Учебное пособие. М.: Академический Проспект, 2005, - 416 с.
2. Израэль Ю. А. Экология и контроль состояния природной среды. Л.: Гидрометеоиздат, 1984.
3. Кавеленова Л.М.Экологические основы и принципы построения системы фитомониторинга урбосреды в лесостепи.// Вестник Сам ГУ, 2 спец. выпуск. Самара, 2003. - С. 182-191.
4. Клаусницер Б. Экология городской фауны. М.: Мир, 1990.
5. Макеева Т. И., Никонова Г. Н. Оценка антропогенной нагрузки на территории по показателям стабильности развития растений // Проблемы и пути их решения: научно-практическая конференция, Москва, 30-31 окт., 2002. Материалы конференции. М., 2002. - С. 201-207.
6. Неверова О. А. Биоэкологическая оценка загрязнения атмосферного воздуха по состоянию древесных растений. Новосибирск: Наука, 2001.
7. Никаноров А. М., Хоружая Т. А. Экология. - М.: «Издательство ПРИОР», 2001г.
8. Татаринова Т. А. Морфофизиологические особенности состояния древесных растений в городских экосистемах / / Международная межвузовская школа-семинар по экологии, Москва, 17-21 апр., 2000. Материалы семинара.- М., 2000 - С. 38-39.
9. Шуберт Р. Биоиндикация загрязнений наземных экосистем М.: Мир, 1988.
10. Вестник, Волжский Университет имени В. Н. Татищева, серия «Экология», выпуск пятый. Тольятти 2005, С. 95-99.