Несмотря на большое количество исследований, посвещенных влиянию техногенных загрязнений на древесные растения, для санитарно-защитных зон алюминиевых заводов Сибири ряд вопросов остался не затронутым.
Целью исследований является изучение и анализ влияния выбросов алюминиевых заводов на древесную растительность, а также разработка рекомендаций по созданию устойчивых насаждений в санитарно-защитной зоне (СЗЗ).
Программа исследований предусматривает сопряженное изучение следующих вопросов:
1. Выделение различных категорий СЗЗ по уровню загрязнения;
2. Определение содержания токсичных веществ в воздухе, почве, растениях;
3. Особенности некоторых физиологических изменений в листьях растений;
4. Зависимость процессов роста и развития древесных растений от уровня загрязнения воздуха и почвы;
5. Влияние элементов питания на устойчивость древесных растений к техногенным выбросам;
6. Изменчивость растений в условиях высокого атмосферного загрязнения;
7. Мероприятия по повышению устойчивости насаждений в СЗЗ.
При разработке данных вопросов упор делался на привлечение хорошо известных, отработанных методик. Состояние древесных растений в глубоко измененных под действием техногенных веществ условиях существования зависит от целого комплекса экстремальных факторов, отражающихся на процессах жизнедеятельности. Следовательно, системная оценка жизнеспособности растительного организма возможна лишь при анализе наиболее важных физиологических процессов и показателей роста, которые являются результирующими, отражающими реакцию организма на факторы окружающей среды. Данные по состоянию растительного организма должны четко отражать дифференциацию деревьев и кустарников по группам газоустойчивости и с высокой степенью достоверности характеризовать истинные различия в жизнеспособности. Точность полученных результатов будет зависеть от сопряженности выбранных признаков с общей жизнеспособностью.
Для решения этих вопросов был исследован прирост боковых побегов, площадь листьев, радиальный прирост, высота и диаметр корневой шейки сеянцев и саженцев, а также воздушно - сухой вес листьев и стволиков, содержание хлорофилла и водоудерживающая способность, показатели качества семян, концентрация фтора и других химических элементов в почве и растениях.
Объекты исследований, проводимых в данной работе, расположены в зоне влияния выбросов заводов по производству алюминия (БрАЗ и КрАЗ). Братский алюминиевый завод расположен в зоне южнотаежных светлохвойных лесов в условиях сильно рассеченного рельефа (рис. 2.1).
В качестве контроля были выбраны площади, находящиеся на значительном удалении от завода с наветренной стороны при отсутствии рядом других источников загрязнения. Тем не менее, следует признать, что контроль из-за повсеместного фонового загрязнения не является абсолютно чистым.
Изучены следующие виды деревьев и кустарников: сосна обыкновенная, лиственница сибирская, ель сибирская, пихта сибирская, сосна кедровая сибирская,береза повислая, тополи бальзамический и белый, ивы корзиночная и козья, черемухи Маака и обыкновенная, вязы приземистый и гладкий, карагана древовидная, кизильник черноплодный, клен ясенелистный, дерен белый.
Первоначально по сторонам света для выявления зон загрязнения проводилось рекогносцировочное обследование на удалении до 10 км. Наряду с группировкой по элементам рельефа, отдельно учитывались растения, растущие вдоль транспортных магистралей. В основу выделения категорий зон загрязнений положен анализ данных по концентрации промышленных выбросов в воздухе и почве в сочетании с состоянием растительности.
Безусловный интерес представляет значение предельно допустимой концентрации фтора, как наиболее токсичного вещества из всех выбросов, приводящего к необратимым последствиям деградации процессов роста.
Рис.2.1 - Схема размещения постоянных пробных площадей (
- БрАЗ; 
- Кремневый завод; 
- гора Моргудон; 
- постоянные пробные площади; уровень загрязнения: 
- высокий, 
- средний, 
- низкий).
Причем природные условия оказывают непосредственное влияние на количество поглощенного фтора и степень вызванного им повреждения. Разработка систем нейтрализации депонированных биогеоценозом фтористых соединений требует знания кумуляционных процессов в системе растительный ярус - почва.
Почва является одним из наиболее значимых экологических факторов, во многом определяющих рост и развитие древесных растений. Ее физические свойства и химический состав, водный и температурный режимы влияют на энергетический обмен в биогеоценозах и обуславливают интенсивность биологических процессов населяющих ее микроорганизмов, растений и животных. При этом следует отметить взаимовлияющий характер процессов. Совершенно очевидно, что при воздействии выбросов алюминиевых заводов на биогеоценоз как на единое целое невозможно абстрагироваться и не исследовать такой важный его компонент, как почву. Оседающие газопылевые выбросы прочно связываются в верхнем горизонте почвы. В исследовании следует различать целинные и пахотные почвы, последние очень удобны для оценки последствия загрязнения. Целинные почвы интересны для изучения их кумулятивных свойств за весь период действия предприятия. Сплошное крупномасштабное картирование территории на содержание техногенных элементов нецелесообразно из-за пестроты почвенного покрова (особенно на примыкающих к промышленной площадке участках). К тому же, если в зоне интенсивного загрязнения на аккумуляцию элементов слабо влияет генезис почв, то с удалением от источника ярче проявляются его значение и химический состав. Влияние рельефа более значимо в непосредственной близости от завода. Обобщая все вышеизложенное, следует сделать вывод о необходимости исследования участков, характерных для данной территории (Методические рекомендации …, 1981). Оптимальным следует признать случай, когда в разных зонах загрязнения на соответствующих эталонах повторяется один и тот же природный комплекс.
В целинных почвах природных ландшафтов коэффициент варьирования содержания микроэлементов обычно лежит в пределах 10 %, и лишь для некоторых из них повышается до 25 %. Вследствие этого 150 единичных образцов, даже при высокой пестроте, будет вполне достаточно для получения достоверной пробы (Методические рекомендации …, 1981). Для исключения случайностей составлялись три смешанных образца.
В принятых методических рекомендациях по контролю загрязнения почв (Временные методические рекомендации …, 1983) предлагается метод, основанный на изменении потенциала ионоселективного электрода в зависимости от активности ионов фтора в растворе. Способ предусматривает возможность определения двух форм фтора - общего и экстрагируемого (подвижного). Наибольшую опасность для окружающей среды представляет именно подвижный фтор.
Очевидна необходимость сопряженных исследований загрязнения почв, растений, вод с изучением природных условий, почвенного покрова региона, что позволит полученные результаты не просто регистрировать, а экстраполировать на аналогичные экосистемы в других районах. С целью изучения аккумуляции фтора с растениями и одновременно с образцами почвы, на ключевых участках были взяты образцы отдельных видов растительного покрова. В зависимости от цели исследования меняется и способ подготовки проб к анализу, особенно это касается растительного материала. Так как для нас важен процесс миграции фтористых соединений в средах атмосфера-растение-почва и не учитываются пищевые цепи животных, то подготовка обязательно сводится к промывке, сушке, измельчению и озолению. Сушка при 70-80 оС не приводит к потере фтора, поэтому и была принята такая температура (Хаземова и др., 1983).
Наряду с определением фтора, предусматривалось изучение питательных свойств почв и химического состава растений. Отдельно учитывались хорошо растущие и угнетенные особи. Анализы проводились на базе Красноярской агрохимической лаборатории по рекомендуемым методикам (Аринушкина, 1970).
Растения, выполняя важную санитарно-гигиеническую функцию по аккумуляции фтора, одновременно испытывают на себе его крайне негативное воздействие, отражающееся на нормальном росте, а иногда и приводящее к гибели. Уникальная способность древесных растений не только чутко реагировать на условия окружающей среды, но и регистрировать все природные и антропогенные воздействия, нашла широкое применение в изучении климата, динамики загрязнения окружающей среды, эффективности лесохозяйственных мероприятий и др. При взятии кернов и их исследовании руководствовались общепринятыми методиками (Битвинскас, 1974; Ловелиус, 1979; Ваганов, Шашкин, 2000). Для исключения ошибки было взято по 100 кернов отдельно по видам в каждой из зон загрязнения. При работе с лиственными породами для улучшения видимости слоев в гладко зачищенную поверхность слегка влажной древесины втирался растертый порошок мела (Фильрозе, Гладушко, 1986).
Результаты, сходные с данными дендрохронологических исследований, отмечены при изменении прироста в длину горизонтальных ветвей взрослых деревьев (Биоиндикация загрязнений наземных экосистем, 1988). Метод менее трудоемок и хорошо отражает текущее состояние растения. Кроме того, известный метод измерения годичных колец у деревьев, позволяющий проследить воздействие газодымовых выбросов за ряд лет, обладает определенной инерционностью, так как кольцо отражает условия роста не только текущего года, но и предшествующих лет. Применение этого метода для биоиндикации затрудняется еще и тем, что кольцо у поврежденных деревьев может не образовываться (Биоиндикация загрязнений наземных экосистем, 1988).
Наиболее простым и в то же время информативным показателем является прирост побегов текущего года. Сущность метода заключается в определении биометрических величин и установлении отклонений от контрольных размеров, вызванных влиянием продуктов техногенеза. Прирост побегов представляет собой результат всех физиологических процессов, протекающих в растительном организме, и является комплексным показателем, характеризующим состояние древесных. Также исследовалась площадь листа как один из биометрических показателей. Замеры, за небольшим исключением, проводились по общепринятым методикам (Ничипорович, Строгонова, 1961; Молчанов, Смирнов, 1967; Программа наблюдений …, 1986). Изменение в определении площади листьев методом планиметрирования заключалось лишь в том, что разложенные на предварительно взвешенной бумаге листья опрыскивались краской для получения отпечатка. Отдельно учитывались особи, свободно стоящие и в групповых посадках. Из-за невозможности взятия моделей, особенно около КрАЗа, так как завод расположен в черте города, у деревьев исследовалась крона на высоте 2 м. В интродукции способность растений успешно проходить репродукционный процесс является показателем, характеризующим нормальное развитие особей, успешность интродукции. В условиях загрязнения способность к нормальному семе-плодоношению является доказательством высокой видовой жизнестойкости. Пробы семян брали из всех частей кроны. Проращивание проводили в специальных аппаратах в полном соответствии с ГОСТ 13056.6-75. Для учета индивидуальных особенностей семена с разных деревьев проращивали отдельно. После определения показателей по четырем повторностям, в каждой из которых было 100 семян, определяли средние величины показателей качества для модельных деревьев, произрастающих на данной пробной площади. Определение массы семян проводили согласно ГОСТ 130.56.4-67.
Вся совокупность жизненных проявлений растительного организма в конечном итоге оказывается тесно связанной с фотосинтезом. В свою очередь, важнейшим компонентом фотосинтетического аппарата является хлорофилл. Его содержание во многом зависит от процессов жизнедеятельности организма, его генетического кода. Совершенно очевидно, что оно может быть использовано как физиологический показатель, характеризующий онтогенетические, генетические и возрастные особенности растения. Количество пигментов, их соотношение очень чутко отражает реакцию организма на условия произрастания и дает общую оценку степени жизнеспособности. Концентрация хлорофилла "а" и "б" определялась на спектрометре СФ-26 и рассчитывалась по формуле Хольма (Практикум по физиологии растений, 1982). Для получения необходимой точности опыта было взято по 10 образцов.
В регулировании водообмена растений значительную роль играют водоудерживающие силы. Определение водоудерживающей способности растений проводилось методом завядания (Практикум по физиологии растений, 1982). Он основан на потере воды завядающими частями растений. Взвешивание проводили через каждые два часа в течение 6 часов.
В 1985-1986 гг. на площадках, расположенных в непосредственной близости от завода (0,5 км), для оценки устойчивости растений в ювенильном возрасте были высеяны семена клена ясенелистного, вяза приземистого и гладкого, тополя бальзамического, березы повислой, дерне белого, кизильника черноплодного, жимолости татарской, караганы древовидной.
Многофакторность действия в совокупности природных и антропогенных элементов на растительность значительно усложняет изучение фактора загрязнения. Определенное влияние оказывает и генетическая неоднородность популяций. Для устранения этого, а также для устранения влияния разного почвенного плодородия были созданы клоновые посадки тополя и ивы корзиночной на привезенном из одного района грунте и ограниченном от местной почвы.
Одним из методов повышения устойчивости растений к неблагоприятным факторам окружающей среды является применение удобрений. В обзоре литературы отмечено, что единой точки зрения на возможность улучшения ростовых процессов в условиях загрязнения посредством дополнительного внесения удобрений, нет. Двухлетними сеянцами вяза приземистого, караганы древовидной, березы повислой и черенками тополя были созданы культуры по изучению влияния минеральных удобрений (NPK) на их рост и развитие.
Для изучения влияния факторов не в изолированном виде, а в их совокупном действии и во взаимодействии друг с другом, опыты были заложены по факториальной схеме (Любищев, 1986). Его сущность заключается не в устранении принципа единственного различия, а в подъеме опыта на более высокий уровень. Известное число подлежащих исследованию факторов, каждый в определенном числе повторностей, изучается во всех мыслимых комбинациях.
Исследованиями были охвачены все основные составляющие влияния выбросов аллюминевых заводов в атмосферу на древесные растения (рис. 2.2).
Рис. 2.2 - Влияние техногенных аэровыбросов на древесные растения
