Техногенное загрязнение лесов и изменение климата

Для нормального функционирования лесных сообществ, динамика поступления и удаления питательных веществ должна протекать с соответствующей скоростью и по установленным маршрутам.
Здоровые, нормально функционирующие лесные экосистемы, получая элементы питания из атмосферы и в процессе выветривания минералов самой экосистемы, непрерывно и многократно пропускают их по сложному внутрисистемному циклу «опад - разложение – усвоение».

Таблица 11.5

Влияние загрязнения воздуха и почвы на показатели двухлетних сеянцев

Порода	Вариант, tф	Высота, см	Диаметр корневой шейки, мм	Площадь листьев, см2	Масса 100 листьев, г
Вяз приземистый	1	37,3±0,7	4,8±,008	5,87±0,07	182,13
	2	12,9±0,2	2,3±0,04	1,72±0,01	19,1
	tф	33,52	27,96	58,69	-
Караганда древовидная	1	35,1±0,8	3,7±0,07	10,80±0,23	256,87
	2	14,2±0,3	2,1±0,04	4,49±0,12	25,04
	tф	24,46	18,85	24,32	-
Жимолость татарская	1	30,9±0,6	3,1±0,07	3,85±0,09	174,16
	2	7,4±0,1	1,2±0,02	0,83±0,01	6,31
	tф	38,63	26,1	33,35	-
Черемуха Маака	1	34,7±0,7	3,4±0,06	4,52±0,10	109,13
	2	5,7±0,1	1,1±0,01	0,74±0,01	3,48
	tф	41,01	37,81	37,61	-

Примежание.*1 - "чистый" экологический район; 2 - под факелом завода; tф - критерий существенности различий

Высокая продуктивность лесных сообществ достигается и поддерживается с помощью энергичного и непрерывного круговорота питательных веществ. Поступления из воздуха и минеральных субстратов в большинстве случаев не могут обеспечить нормальный рост и развитие растений. Здесь обязательно участие процессов разложения, минерализации и усвоения.
В общей системе обменных процессов биологического круговорота важнейшее значение имеет подсистема "почва - растения". Почва представляет собой среду обитания растений, источник их питания, место разложения отмерших растений; здесь аккумулируются элементы питания, накопленные растениями. В то же время растения являются потребителями элементов питания, трансформаторами химизма среды, из которой они добывают эти элементы, и источниками важнейшего компонента почвы - ее органического вещества. Техногенное воздействие существенно влияет на структуру и динамику всех биосистем. Техногенез проявляется в трансформации подвижных элементов геосистем. Можно выделить прямое и косвенное воздействие, но не всегда возможно их разграничение.
При токсичном действии фтора на растительные организмы решающим является не столько их общее содержание в почве, сколько концентрация доступной для организма формы. Изменение химических параметров почвы отражается через определенный промежуток времени на росте и продуктивности отдельных видов, их популяций и, в итоге, при сильном воздействии, может привести к более или менее сильному нарушению структуры фитоценоза и даже к развитию сукцессий.
Вопросам влияния удобрений на древесную растительность посвящено много фундаментальных работ (; Слухай, 1965; Победов, 1972 и др.). Минеральные удобрения оказывают существенное влияние на рост и развитие растений. Отмечается улучшение ростовых процессов, повышение устойчивости к вредителям и болезням.
Определяющим фактором в чувствительности растений к загрязнению атмосферы является обеспеченность элементами питания (Гудериан, 1979). Результаты исследований в данном направлении весьма противоречивы. Рекомендации существенно различаются не только по вносимой дозе, но и по характеру воздействия удобрений (Рябинин, 1965; Фиргер, Карпова, 1969; Яценко и др., 1971; Карабанов, Шелухин, 1976; Лукьянец, 1977; Илькун, 1978; Гудериан, 1979; Игнатенко, Чепиженко, 1984; Смит, 1985;). В некоторых случаях отмечалась более высокая степень повреждения при оптимальной обеспеченности минеральными элементами.
В.М. Рябинин (1965) делает предположение, что химические удобрения могут сыграть положительную роль только в насаждениях, которые подвержены случайному (1-3 раза за вегетационный период) повышению концентрации токсичных газов. В тех насаждениях, которые подвергаются их хроническому воздействию, вносить удобрения не только бесполезно, но, по-видимому, даже вредно. Автор исследовал влияние различных видов и доз минеральных удобрений на газоустойчивость сосны и ели постановкой вегетационных опытов.
Следует согласиться, что в условиях высокого хронического загрязнения гибель высокочувствительных видов (ель, сосна) невозможно предотвратить внесением минеральных удобрений. Ряд лиственных видов, несмотря на сильное угнетение роста, некрозы листьев, способны выдерживать высокие концентрации токсикантов. Кроме всего прочего, концентрация газов, даже на промышленной площадке никогда не бывает постоянной и иногда может падать до очень низких величин. Наблюдения за ростом древесных растений в зоне высокого загрязнения позволяют сделать вывод, что их произрастание без мер по повышению устойчивости крайне затруднено, а иногда и невозможно.
Токсичное действие фтора на растения может быть связано с нарушением свойственного организму соотношения ионов. Избыточное поступление одного из элементов может привести к недостатку другого в результате ограничения его поступления или связывания в тканях. Механизмом, приводящим к дефициту, может быть конкуренция за места на специфических переносчиках при поступлении в клетку и передатчиках по метаболической цепи. Устранение дефицита элементов внесением удобрений является одним из важнейших агрохимических приемов, способствующих созданию устойчивых защитных зон вокруг промышленных предприятий.
Как было уже указано, зона максимального загрязнения простирается в направлении господствующих ветров на расстояние до 1 км. Территория из-за отсутствия какой-либо растительности не выполняет основную возложенную на нее функцию (препятствовать распространению твердых пылевых выбросов).
На данной территории, в целях изучения возможности создания устойчивых защитных насаждений, наряду с использованием азотных, фосфорных, калийных удобрений, был апробирован кальций. Азот необходим на всех этапах роста - от проростков до взрослых деревьев. Его недостаток подавляет фотосинтез сильнее, чем недостаток какого-либо иного элемента (Лир и др., 1974; Крамер, Козловский, 1983). Плохое обеспечение растения азотом обуславливает снижение нетто-ассимиляции единицы листовой поверхности и снижение самой поверхности листьев. При недостатке фосфора часто отмечается резкое отставание в росте молодых деревьев без каких-либо видимых симптомов (Крамер, Козловский, 1983). Наряду с нейтрализацией промежуточных органических кислот, кальций также поддерживает необходимый тургор, увеличивает водоудерживающую способность, содействует стабилизации мембран, повышает морозоустойчивость (Власюк, 1969; Рубин, 1976). В целом, положительное действие азота, фосфора и калия не вызывает сомнения. К настоящему времени имеется значительное количество данных, и это отмечается в литературном обзоре, о положительном влиянии удобрений на устойчивость растений в условиях промышленной среды.
Необходимость апробировать кальций была вызвана не только его значительным влиянием на общее физико-химическое состояние протоплазмы, но и ее вязкость, проницаемость (Рубин, 1976). Другой, не менее важной чертой кальция является его способность нейтрализовать токсичные вещества, в том числе и фтор (Лебедев, 1982; Кабата-Пендиас, Пендиас, 1989). Проведенное в лабораторных условиях определение связывания фторид-иона различными веществами позволило построить следующий ряд: обесфторенный фосфат > мел + гипс (1:1) > глина > почва (чернозем) > песок. Низкая связывающая способность песка объясняет слабую устойчивость растений на песчаной почве, и напротив, высокое связывание фтора глиной определяет высокую устойчивость к фтористым соединениям на глинистых почвах. С вязом и тополем был поставлен полный факторный эксперимент с РК-содержащими удобрениями, отдельно и в различных сочетаниях. Большая захламленность территории не позволила поставить аналогичные опыты с березой и караганой. Поэтому нами исследовано только внесение однократной дозы РК.
Изучение роста саженцев караганы и вяза явилось продолжением исследования процессов роста данных видов, созданных посевом. Из-за гибели березы под факелом завода в однолетнем возрасте, мы взяли контрольный посадочный материал.
М.В. Булгаковым (1969) был проведен комплекс исследований по выращиванию посадочного материала для озеленения металлургического предприятия в зоне техногенного загрязнения. Автор делает предположение о способности растений в процессе начальных этапов онтогенеза формировать систему адаптации, способствующую существенному повышению устойчивости к промышленным выбросам. Для проверки этого положения нами, наряду с посадкой сеянцев, выращенных в условиях высокого атмосферного и почвенного загрязнения, были высажены и сеянцы с контроля.
При посадке вносили полную дозу удобрения. На следующий год первая подкормка была проведена в начале мая (1/2 дозы азота), вторая - в начале июня (1/2 дозы фосфора и калия, остаток азота) и последняя - в начале сентября (остаток фосфора и калия). Удобрения, внесенные осенью, увеличивают адсорбционную поверхность корневой системы и тем самым способствуют усвоению и накоплению растением запасных питательных веществ, которые, в свою очередь, придают устойчивость растениям в период покоя и активизируют процессы роста и развития весной (Слухай, 1965; Победов, 1972).

Таблица 11.6
Влияние удобрений на рост саженцев в возрасте 3-4 года

Продолжение табл. 11.6

1	2			3	4	5	6	7	8
Тополь бальзамический	Контроль, "чистый" экологический район			41,8±0,9	19,7±0,4	0,61±0,01	96±2	28,1±0,5	0,98±0,2
	Под факелом КрАЗ		без удобрений	21,9±0,4	10,9±0,2	0,4±0,01	37,1±0,8	8,2±0,2	0,54±0,01
			N1P1K1	27±0,5	15,1±0,3	0,52±0,01	58,2±1,3	13,6±0,2	0,75±0,01
			N1	25,7±0,5	14,2±0,3	0,47±0,02	47,6±0,9	11,4±0,2	0,65±0,02
			P1	23,8±0,4	12,3±0,2	0,39±0,01	41,7±0,9	9,6±0,2	0,57±0,01
			K1	23±0,4	11,9±0,2	0,37±0,01	41,2±0,8	9,4±0,2	0,56±0,02
			P1K1	24,7±0,4	11,9±0,2	0,44±0,01	45,9±1	9,5±0,3	0,61±0,01
			N1P1	26,1±0,6	13,7±0,3	0,49±0,01	52±1,1	12,5±0,3	0,69±0,02
			N1K1	25,6±0,5	13,3±0,3	0,46±0,01	50,9±1,1	12,6±0,2	0,68±0,01
Береза повислая	Контроль "чистый" экологический район			46,0±0,9	13,3±0,3	0,63±0,01	97±2	12,9±0,3	1,16±0,02
	Под факелом КрАЗа	без удобрений		32,6±0,6	6,7±0,1	0,47±0,01	35,1±0,7	3,6±0,1	0,55±0,01
	Под факелом КрАЗа	N1P1K1		42,7±0,8	9,4±0,2	0,36±0,01	48,9±0,9	5,5±0,1	0,7±0,01

Таблица 11.7
Влияние удобрений на рост саженцев в пятилетнем возрасте

Порода	Условия произрастания		Высота, см	Площадь листьев, см2	Диаметр корневой шейки, см	Масса листьев, г	Масса стволика
Порода	Условия произрастания		Высота, см	Площадь листьев, см2	Диаметр корневой шейки, см	Масса листьев, г	живая часть, г	засохшая часть, % от живой части
1	2		3	4	5	6	7	8
Вяз приземистый	Контроль, "чистый" экологический район		174±3,5	11,4±0,2	2,16±0,05	75,14±4,31	145,76±8,21	?
	Под факелом КрАЗа	без удобрений	31,1±0,6	2,1±0,04	0,62±0,01	0,89±0,04	1,49±0,09	64
		N1P1K1	66,3±1,3	3,7±0,07	1,27±0,03	8,45±0,48	16,11±0,82	13
		N1	45,6±0,9	3,1±0,06	0,90±0,02	3,61±0,29	8,35±0,41	26
		P1	39,0±0,8	2,5±0,05	0,77±0,01	1,76±0,16	3,43±0,16	28
		K1	37±0,7	2,6±0,05	0,74±0,01	1,39±0,09	3,11±0,19	40
		P1K1	41,4±1	2,7±,004	0,85±0,02	2,61±0,15	5,69±0,3	20
		N1P1	52,3±1,3	3,2±0,07	0,98±0,02	5,9±0,36	11,1±0,54	17
		N1K1	50±1,4	3,3±0,06	0,94±0,03	4,85±0,23	9,99±0,52	20
		Ca2	33,2±0,6	2,3±0,05	0,6±0,02	2,18±0,15	2,69±0,13	15

При этом с возрастом, по мере увеличения отравления токсикантами, наблюдается более сильное снижение биометрических показателей на площадке под факелом алюминиевого завода по сравнению с контрольными условиями. Наиболее характерно данный процесс проявляется на примере саженцев березы. Так, в возрасте 1, 2, 3 года саженцы на опытной площадке соответственно имели высоту: 71, 36, 17, площадь листьев - 50, 28, 15, диаметр корневой шейки - 75, 47, 33 % от данных контрольных замеров. У вяза процент снижения на первый и второй год выращивания не столь велик. Отличие вызвано тем, что в случае с березой мы использовали посадочный материал с контроля, а сеянцы вяза были выращены под факелом завода. Следовательно, для них не требуется время для перехода на более низкий уровень метаболизма. Это находит подтверждение при анализе роста саженцев караганы древовидной. В варианте, где использованы сеянцы с площадки алюминиевого завода, высота саженцев в одно- и двухлетнем возрасте соответственно составляет 39 %, площадь листа - 32 %, диаметр корневой шейки - 52 % от аналогичных показателей в контроле. Применение сеянцев, выращенных в "чистой" экологической среде, дало следующие проценты: по высоте - 79 и 57, по площади листа - 67 и 49, по диаметру корневой шейки - 83 и 69 от соответствующих показателей в контрольных условиях за первый и второй годы выращивания. При этом, если по абсолютным значениям у саженцев как вяза, так и караганы, весь период своего развития произраставших под факелом завода, наблюдается некоторое (17-29 %) увеличение площади листа, характеризующее процесс успешности приживания, то у саженцев караганы выращенных из сеянцев с контроля, происходит уменьшение площади листа на 17 %.
Проведенное на третий год взвешивание надземной биомассы в абсолютно сухом состоянии позволило обнаружить ее катастрофическое снижение в зоне высокого атмосферного загрязнения фтором и сопутствующими газами (в 93 раза - у саженцев вяза и в 34 раза - у тополя).
С вязом и тополем был поставлен полный факторный анализ по трем параметрам (азот, калий и фосфор). Сущность использованной факториальной схемы заключается в том, что, взяв известное число подлежащих исследованию факторов (в данном случае три), каждый в определенном числе повторностей, опыт ставят так, что изучаются все возможные комбинации испытываемых факторов. Метод дает возможность оценить не только действие изолированных факторов, но, путем различной группировки данных, размеры взаимодействия между факторами (Любищев, 1986).
Имея три фактора, каждый в двух вариантах, оценить дисперсию, вызванную действием азота, можно из разности:
(N0P0K0 + N0P0K1+ N0P1K0+ N0P1K1) - (N1P0K0+ N1P0K1+ N1P1K0+ N1P1K1) = (N0- N1)(P0+ P1)(K0+K1)
Для оценки влияния фосфора:
(N0+ N1)(P0- P1)(K0+K1)
и калия:
(N0+ N1)(P0+ P1)(K0- K1).
Несколько сложнее выражается взаимодействие первого порядка (между двумя факторами). Взаимодействие имеет место в том случае, если действие азота в присутствии одной модальности другого фактора (допустим, фосфора) не равно тому же действию в присутствии другой модальности. Действие фактора N (азота) в присутствии модальности фактора Р0 (фосфора) выражается разностью N0P0-N1P0 , и такое же действие в присутствии Р1 - разностью N0P1-N1P1. Если действие фактора не зависит от значения фактора Р, то эти две разности показывают различия только порядка ошибки опыта. Таким образом, имея три различных сочетания из трех элементов по два, получаем:
NP = (N0- N1)(P0- P1)(K0+K1);
NK = (N0- N1)(P0+ P1)(K0-K1);
PK = (N0+ N1)(P0- P1)(K0-K1).
Наряду с взаимодействием двух факторов, мы имеем сочетание всех трех факторов. Взаимодействие второго порядка означает, что взаимодействие двух факторов происходит иначе, в зависимости от того, в какой форме присутствует третий фактор. Так как взаимодействие двух факторов выражается формулой
N0P0- N0P1- N1P0+ N1P1,
то, очевидно, взаимное действие трех факторов измеряется так:
(N0P0- N0P1- N1P0+ N1P1)K0- (N0P0- N0P1- N1P0+ N1P1) K1.
В развернутом виде имеем выражение:
N0P0K0- N0P0K1- N0P1K0+ N0P1K1- N1P0K0+ N1P0K1+ N1P1K0- N1P1K1
В первый год роста саженцев вяза отношение дисперсии исследуемой изменчивости, вызванной влиянием удобрений, к дисперсии ошибки опыта (Q) составляет 3,08 (табл.11.8),что позволяет говорить о существенности влияния при P=0,05.

Дисперсионный анализ влияния NPK-удобрений на высоту 3-летних саженцев вяза под факелом алюминиевого завода

При анализе влияния как отдельных компонентов, так и их возможных сочетаний по ранее описанным формулам, выявлено, что на первом плане стоит изменчивость, вызванная действием азота (Р<О,01), затем - фосфора (Р<0,05) (табл.11.9).

Результаты факторного анализа влияния NPK-удобрений на высоту 3-летних саженцев вяза под факелом алюминиевого завода

Фактические значения критерия Q для калия и всех исследуемых комбинаций меньше табличных значений при минимально возможном уровне вероятности, следовательно, делается вывод о недостоверности их влияния на рост.
Дисперсионный анализ, проведенный для саженцев в возрасте 5 лет, позволил с более высокой степенью достоверности говорить о существенном влиянии (P < 0,005) NРК-удобрений на рост в условиях высокого атмосферного загрязнения (табл.11.10).

Дисперсионный анализ влияния NPK-удобрений на высоту 5-летних саженцев вяза под факелом алюминиевого завода

Q оказалась равной 30,33. Разница между удобренными и не удобренными саженцами легко заметна (рис.11.3).
В порядке уменьшения значимости влияния, изучаемые факторы расположились: азот (Р < 0,001), фосфор (Р < 0,005), калий (Р < 0,005), взаимодействие второго порядка (Р около 0,05) (табл. 11.11). Варьирование данных за счет взаимодействий первого порядка оказалось ниже допустимых значений при уровне вероятности 0,95.

Результаты факторного анализа влияния NPK-удобрений на высоту 5-летних саженцев вяза под факелом алюминиевого завода

Близкие результаты получены при анализе факториальной схемы опыта, проведенного с тополем (табл.11.12, 11.13).

Таблица 11.12

Дисперсионный анализ влияния NPK-удобрений на высоту 5-летних саженцев тополя под факелом алюминиевого завода

Категория изменчивости	Число степеней свободы	Сумма квадратов	Средний квадрат	Q	P
Варианты	7	7233,67	1033,38	31,4	<0,005
Повторности	2	266,23	143,12
Ошибка	14	460,69	32,91
Всего	23	7980,59

По березе и карагане был поставлен опыт только с комбинацией NРК. При этом в течение трех лет роста также отмечается значимое увеличение биометрических показателей.

Таблица 11.13

Контраст	Разность ?	? 2/n	Q	P
N	339,9	4813,63	146,27	<0,001
P	132,5	731,51	22,23	<0,005
K	168,5	1183,01	35,95	<0,001
NP	48,3	97,2	2,95
NK	58,7	143,57	4,36
PK	41,7	72,45	2,2
NPK	67,9	192,1	5,83	<0,05

На третий год роста высота удобренных саженцев березы достигает 60,8 см (234 %), площадь листа - 63 см2 (286 %), диаметр корневой шейки 0,61 см (176 %). У караганы древовидной соответственно – 252 %, 210 %, 145 % от параметров саженцев, выращенных без применения NРК-удобрений (рис.11.4). Несмотря на столь значительное увеличение биометрических показателей, рост удобренных саженцев по всем параметрам существенно отстает от саженцев, продуцирующих на "чистом" экологическом фоне. Данный вывод подчеркивает крайнюю необходимость снижения выбросов, с учетом существующей потребности в алюминии, как минимум до концентрации, позволяющей с помощью агрохимических, биологических и лесоводственных методов стабилизировать рост древесных растений до нормальных значений, соответствующих данной природно-климатической зоне.
Интересные результаты получены в случае с использованием кальция. Са вносился совместно в форме гипса и мела. Испытывались две дозы: 2 и 10 т/га. В литературе имеются противоречивые сведения о влиянии внесения в почву кальция на повышение устойчивости к фторсодержащим выбросам. К сожалению, недостатком некоторых работ является отсутствие данных по содержанию в грунте инактиваторов фтора, коим, в частности, и является кальций.
Как уже отмечалось, кальций хорошо переводит фтор в неподвижные в растворе соединения путем образования слабодиссоциирующего CaF2. Поэтому, ожидался заметный положительный эффект. Однако, в первые два года роста саженцев вяза приземистого, наблюдалось четкое снижение всех биометрических показателей. Внесение кальция не дало ожидаемого эффекта, по-видимому, из-за его высокого естественного содержания в почве (20-45 мг/экв/100г). И хотя проведенный впоследствии агрохимический анализ не обнаружил существенного изменения кислотности, возможно, снижение ростовых процессов вызвано токсичностью избытка кальция. Ситуацию изменил третий год роста саженцев. Недостаток осадков вызвал усыхание растений на контрольных площадках под факелом завода. Интенсивному усыханию были подвержены и некоторые посадки на удобренных площадкаъх. В свою очередь, саженцы, удобренные кальцием, при равных с контролем (без удобрений) биометрических показателях имеют значительно меньший процент усохших побегов. Так, если в контроле усохло 64 % побегов, то при дозе Ca 2т/га- 15 %, 10т/га- 18 %. Однако, несмотря на низкий процент усыхания, растения на повышенном кальциевом фоне отличаются слабым ростом.

Рис. 11.4 - Саженцы караганы древовидной под факелом КрАЗа (а- без применения удобрений; в- с NPK)

Главная

Исследовательские группы

Студенту

11.3. Применение удобрений в целях повышения устойчивости древесных растений в зоне влияния алюминиевого завода