|
Антропогенное воздействие, представляя собой новые параметры среды, обуславливает изменение существующих природных факторов, что относительно быстро проявляется и в изменении растительных сообществ. Выбросы токсичных веществ в атмосферу приводят к очевидным нарушениям равновесия в биоценозах. Электролитическое производство алюминия сопряжено с выделением большого количества фтористых соединений. Из-за высокой аккумулирующей способности даже очень низкие концентрации фтора могут вызывать снижение устойчивости и повреждения чувствительных видов растений. Биоценозы, обладая устойчивостью к кратковременным антропогенным нарушениям, в условиях хронического загрязнения медленно деградируют. По мере ухудшения условий среды происходит постепенный переход экосистем с преобладанием деревьев к кустарниковым, а затем и к травянистым ценозам. Данный процесс хорошо прослеживается на примере БрАЗа.
Наземные органы растений испытывают непосредственное влияние промышленных выбросов. Осаждение и накопление в тканях листьев, побегов токсичных веществ выше определенного уровня приводит к нарушению нормальной жизнедеятельности: уменьшается площадь листьев, снижается плотность облиственности крон деревьев вплоть до полной потери листьев или хвои, образуются укороченные побеги, особенно со стороны источника выбросов, что сопровождается образованием флагообразной формы кроны. Вследствие неравномерного обдувания кроны на одном дереве можно обнаружить как неповрежденные, так и сильно поврежденные листья. Своеобразная форма кроны сосны найдена нами под факелом БрАЗа (рис 8.14). При выходе за пределы лиственного полога рост побегов замедляется, приводя к образованию стреловидной кроны.
Специфические видовые различия в устойчивости особенно отчетливо проявляются в условиях перепада концентрации загрязнителей, создающихся вблизи отдельного источника выбросов. Отдельные виды, подвиды, сорта и даже особи одного и того же вида растений различаются по степени устойчивости к определенному загрязнителю. Степень устойчивости зависит от генетических факторов, стадии развития, факторов окружающей среды, взаимовлияния особей и видов и выражается в специфичной форме реакций. Хвойные виды менее устойчивы к хроническому загрязнению (рис.8.15 – 8.18). Слегка разбавленный газ труб высотой 70 м и фонарные выбросы распространяются непосредственно на незащищенные склоны. По мере приближения к источнику выбросов наблюдается увеличение концентрации как фтористых соединений, так и ряда других токсикантов, что отражается на состоянии растений.
Рис. 8.14 – Своеобразная форма кроны сосны обыкновенной под факелом БрАЗа
Рис. 8.15 – Повреждение центрального стволика ели сибирской в течение года после посадки под факелом алюминиевого завода
Рис. 8.16 – Побеги ели сибирской (а- под факелом БрАЗа; б – контроль)
Возрастание силы воздействия с увеличением концентрации вредных выбросов зависит не от абсолютного количества поглощенного загрязнителя, а от высокой скорости поглощения.
При больших концентрациях токсического газа в единицу времени в растение проникает большое количество, следовательно, остается меньше времени для его детоксикации в организме (Томас, 1962; Гудериан, 1979).
Различия в скорости поглощения вредных веществ хорошо проявляются в характере симптомов повреждения. Быстрое проникновение больших количеств вредных для растений ингредиентов в лист сопровождается четким некрозом. Острое повреждение высокими концентрациями особенно опасно для молодых листьев. Нам приходилось наблюдать полную гибель недавно появившихся листьев.
Продолжительное действие низких концентраций токсического агента, как правило, приводит к появлению неспецифического хлороза листьев, а в случае присутствия в воздухе фтора сопровождается краевыми и верхушечными некрозами.
Повреждения лесов, вызванные эмиссиями Братского алюминиевого завода и расположенного рядом лесопромышленного комплекса, обнаружены на расстоянии до 20 км от источника загрязнения. По вершинам сопок видимые повреждения проявляются на расстоянии до 35 км по направлению господствующих ветров.
Рис. 8.17 – Верхушка подроста сосны обыкновенной под факелом БрАЗа (высокая чувствительность)
Рис. 8.18 – Кустообразная форма сосны обыкновенной под факелом БрАЗа
В зоне распространения выбросов можно выделить 4 зоны повреждения: травяная зона с чрезвычайно угнетенным кустарником (кустарниковую форму принимают единично выжившие экземпляры березы и осины); кустарниково-травяная (лиственные деревья в угнетенном состоянии, хвойные виды отсутствуют, за исключением единичных экземпляров ели сибирской кустовидной формы не более 1 м высотой); зона лиственных деревьев с единичными экземплярами преждевременно усыхающих хвойных; зона хвойных деревьев (сосна обыкновенная, лиственница сибирская, ель сибирская) без признаков техногенного угнетения. Размеры зон угнетения находятся в зависимости от направления ветра и мозаичности рельефа.
В условиях сильной рассеченности поверхности создание санитарно-защитных зон и проведение мероприятий по повышению устойчивости древесных только с учетом розы ветров неэффективно. В непосредственной близости от завода (1 км) на ветроударном склоне крутизной около 20о наблюдается четкая вертикальная смена растительности: у основания склона с лучшими эдафическими условиями размещается кустарниково-травяная зона; затем, по мере подъема, наблюдается переход в травяную, кустарники при большой крутизне исчезают (зона сильно эродирована); начиная с границы перехода вершины в ровное плато, с удалением от завода наблюдается постепенная смена растительных сообществ по зональной схеме, приведенной выше.
Измерение реакции растений с помощью морфометрических параметров позволяет с малыми затратами труда вести достаточно точную биоиндикацию, так как прирост является более чувствительным параметром, чем некрозы. Лучшее состояние растений отмечается у подножия сопки, а также на участках склона с небольшим уклоном. Для оценки плодородия почвы и ее токсичности были взяты образцы у основания, в середине и на вершине сопки. У основания склона обнаружена более высокая рН почвы, а также концентрация общего фтора, азота, Р2О5, К2О , кальция, магния. Содержание гумуса у основания склона по горизонтам составило: А – 9,4; АВ – 2,0; В – 1,1 %; на вершине соответственно – 3,1; 1,4; 0,8 %. В то же время у основания склона существенно ниже концентрация подвижного фтора (на 22%). В силу того, что токсичность фтора для растений определяется его водорастворимой частью, можно сделать вывод, что токсичность почвы у основания склона ниже. Снижение концентрации водорастворимого фтора при движении вниз по склону определяется увеличением содержания в почве, в первую очередь, кальция (в горизонте А - в два раза). Как известно, кальций с фтором образуют слабодиссоциирующий малотоксичный для растений комплекс СаF.
Таким образом, при создании санитарно-защитных насаждений в зоне высокого техногенного загрязнения следует особое внимание уделять плодородию почвы, а также накоплению и сохранению влаги как средству повышения устойчивости растений.
Пассивизация физиологических и биохимических процессов в условиях атмосферного загрязнения приводит соответственно к уменьшению синтеза органических веществ. Выявлена четкая закономерность снижения текущего линейного прироста побегов и площади листа в зоне влияния завода (табл. 8.2). Измерение реакции растений с помощью морфометрических параметров позволяет с малыми затратами труда проводить достаточно точную биоиндикацию. Изменения прироста широко применяются для биоиндикации, так как являются более чувствительным параметром, чем некрозы (Биоиндикация загрязнений наземных экосистем, 1988).
Из исследуемых видов наибольшей устойчивостью в промышленной среде, выраженной минимальным снижением как прироста побегов, так и площади листа, отличается ива козья. На ветроударном склоне, где складывается наименее благоприятная для условий произрастания экологическая обстановка, средний прирост и площадь листа соответственно составляют 49 и 45% от контрольных значений. Береза, и осина в подобных условиях погибли. Более благоприятные условия складываются у подножия горы, в понижениях на ветроударном склоне, что доказывает определяющий характер питательной характеристики почвенных условий на чувствительность растительного организма к промышленному загрязнению, а также в удалении от завода.
Исследованное западное от завода направление, подверженное периодическому действию выбросов, характеризуется незначительным снижением ростовых процессов. Среди лиственных встречаются 10-15 - летние экземпляры лиственницы, сосны без признаков поражения. По исследуемым зонам наблюдается сходная закономерность в снижении прироста.
Таблица 8.2
Влияние выбросов БрАЗа на прирост побегов и площадь листьев деревьев и кустарников
Вариант |
Береза повислая |
Осина |
Ива козья |
Кизильник черноплодный |
Роза морщинистая |
Контроль |
1* |
21,3 |
0,4 |
22,5 |
0,4 |
29,9 |
0,6 |
20,7 |
0,4 |
25,1 |
0,5 |
2 |
20,7 |
0,4 |
23,7 |
0,3 |
31,2 |
0,5 |
6,3 |
0,1 |
25,0 |
0,6 |
Восточное направление |
Подошва склона |
Удаление от завода, км |
0,5 |
1 |
10,1 |
0,2 |
12,1 |
0,3 |
18,8 |
0,4 |
11,5 |
0,2 |
10,7 |
0,2 |
2 |
11,0 |
0,1 |
12,2 |
0,2 |
19,9 |
0,5 |
3,3 |
0,1 |
10,9 |
0,1 |
Ветр. склон |
0,5 |
1 |
|
|
|
|
14,6 |
0,3 |
9,7 |
0,2 |
7,6 |
0,5 |
2 |
|
|
|
|
14,1 |
0,3 |
2,6 |
0,1 |
7,7 |
0,2 |
Пониж. на склоне |
0,5 |
1 |
9,7 |
0,2 |
10,6 |
0,2 |
17,5 |
0,3 |
11,0 |
0,2 |
10,4 |
0,2 |
2 |
10,1 |
0,2 |
10,4 |
0,3 |
18,2 |
0,5 |
3,1 |
0,1 |
10,1 |
0,2 |
Вершина склона |
0,5 |
1 |
9,3 |
0,2 |
9,2 |
0,3 |
16,7 |
0,4 |
10,3 |
0,3 |
9,7 |
0,2 |
2 |
9,7 |
0,1 |
8,8 |
0,1 |
17,8 |
0,3 |
3,0 |
0,1 |
8,2 |
0,1 |
Западное направление |
Плато |
1,0 |
1 |
11,1 |
0,1 |
13,2 |
0,3 |
21,5 |
0,4 |
13,4 |
0,3 |
13,7 |
0,3 |
2 |
12,8 |
0,3 |
12,8 |
0,2 |
22,1 |
0,4 |
3,9 |
0,1 |
13,3 |
0,3 |
3,0 |
1 |
13,6 |
0,3 |
12,5 |
0,3 |
25,5 |
1,0 |
15,7 |
0,4 |
16,0 |
0,1 |
2 |
14,8 |
0,4 |
16,1 |
0,3 |
26,0 |
0,6 |
4,5 |
0,2 |
15,2 |
0,2 |
1,0 |
1 |
14,1 |
0,3 |
14,8 |
0,9 |
25,2 |
0,4 |
15,5 |
0,3 |
14,7 |
0,3 |
2 |
15,2 |
0,3 |
16,0 |
0,4 |
30,2 |
0,5 |
4,4 |
0,1 |
15,8 |
0,3 |
3,0 |
1 |
19,7 |
0,4 |
21,5 |
0,5 |
31,2 |
0,5 |
19,8 |
0,4 |
23,9 |
0,5 |
2 |
19,9 |
0,3 |
24,4 |
0,4 |
33,1 |
0,7 |
5,7 |
0,8 |
23,4 |
0,4 |
Примечание.* 1 - длина побегов, см; 2 - площадь листьев, см2
В ряду устойчивости за ивой козьей следуют кизильник черноплодный, затем - береза и осина, более или менее равномерно страдающие от загрязнения. Однако, если для осины характерно большее снижение площади листа, чем прироста побега, то береза в большей мере уменьшает прирост. Минимальное значение прироста у березы и осины составляет 43 % и 41 %, площадь листа - соответственно 47 % и 37 % от контрольных замеров. При снижении уровня концентрации токсикантов или улучшении эдафических условий существующее в данном случае значимое различие в уменьшении средней площади листа между березой и осиной стирается.
Зона, подверженная выбросам КрАЗа, состоит, в основном, из лиственных пород. Г.М. Илькун и В.В. Мотрук (1976) отмечают большую устойчивость лесостепных фитоценозов по сравнению с таежными. Растительность была подробно описана в предыдущем разделе. Биометрические показатели представлены в табл. 8.3, 8.4.
Тяжелые условия произрастания, вызванные как непрерывным высоким уровнем загрязнения, так и недостатком питательных веществ, складываются на промышленной площадке. Ассортимент был представлен только двумя породами, имеющими достаточное количество экземпляров для статистической обработки. Средний прирост побегов и площадь листьев соответственно составляют 36 % и 49 % для тополя бальзамического и 40 %, 31 % - для вяза приземистого от контрольных значений (рис. 8.19 – 8.20)
С удалением от завода, по направлению преобладающих ветров, состояние древесных несколько нормализуется. В удалении 0,5-1,0 км исследуемые виды по проценту снижения ростовых процессов можно разделить на три группы:
1 группа - уменьшение прироста до 30 % - ива козья;
2 группа - уменьшение прироста до 45 % - тополь, вяз, карагана, сирень венгерская;
3 группа - уменьшение прироста более 45 % - черемуха обыкновенная, береза повислая (рис. 8.21).
За исключением вяза, для всех пород в данной зоне характерно более или менее равномерное снижение прироста и площади листа. У вяза же более чувствительным показателем является листовая поверхность.
Если процент снижения прироста в секторе ЮВ-СВ в удалении 0,5-1,0 км составляет 39 %, то процент снижения площади листьев – 55 %.
Таблица 8.3
Рост деревьев и кустарников в зоне распространения выбросов КрАЗа
Порода |
Показатель |
Контроль |
Сектор ЮВ-СВ |
0,5-1,0 км от завода |
2-3 км от завода |
одиночные |
групповые |
одиночные |
групповые |
придорожные |
одиночные |
групповые |
придорожные |
Тополь бальзамический |
1 |
24,3±0,5 |
28,8±,06 |
14,3±0,3 |
21,6±0,4 |
10,8±0,2 |
18,7±0,3 |
23,8±0,4 |
15,6±0,3 |
2 |
25,9±0,4 |
30,1±0,6 |
16,0±0,3 |
23,6±0,5 |
12,1±0,3 |
18,9±-0,4 |
26,8±0,6 |
15,7±,03 |
Вяз призмистый |
1 |
31,9±0,6 |
36,2±0,5 |
19,5±0,4 |
27,9±0,6 |
14,7±0,3 |
24,9±0,6 |
32,4±0,5 |
20,7±0,4 |
2 |
14,1±0,3 |
16,7±0,2 |
6,3±0,1 |
9,5±0,2 |
3,3±0,1 |
16,0±0,2 |
13,6±0,2 |
9,1±0,2 |
Карагана древовидная |
1 |
18,7±0,2 |
|
11,0±0,2 |
|
6,1±0,1 |
13,6±0,3 |
|
11,1±0,2 |
2 |
19,0±0,4 |
|
6,6±0,1 |
|
7,3±0,1 |
14,2±0,2 |
|
10,9±0,1 |
Сирень венгерская |
1 |
26,8±0,5 |
|
14,7±0,3 |
|
11,0±0,2 |
19,8±0,3 |
|
15,5±0,7 |
2 |
43,4±0,9 |
|
25,7±0,5 |
|
7,7±0,3 |
33,4±0,6 |
|
25,6±0,5 |
Клен ясенелистный |
1 |
30,8±0,5 |
34,5±0,7 |
|
|
|
19,7±0,3 |
25,4±0,5 |
15,7±0,3 |
2 |
86,5±1,4 |
101,2±2,0 |
|
|
|
50,1±0,9 |
68,2±1,2 |
37,1±0,9 |
Ива козья |
1 |
27,3±0,5 |
|
19,1±0,4 |
|
15,3±0,3 |
23,5±0,4 |
|
19,9±0,4 |
2 |
33,5±0,6 |
|
23,7±0,4 |
|
19,4±0,5 |
29,5±0,6 |
|
24,8±0,3 |
Черемуха обыкновенная |
1 |
28,1±0,5 |
|
11,8±0,2 |
|
7,9±0,1 |
16,9±0,3 |
|
12,7±0,2 |
2 |
32,8±0,5 |
|
13,4±0,1 |
|
8,5±0,2 |
20,0±0,3 |
|
14,8±0,4 |
Береза повислая |
1 |
25,3±0,4 |
|
11,1±0,2 |
|
6,8±0,1 |
15,9±0,3 |
23,5±0,5 |
12,4±0,3 |
2 |
17,2±0,3 |
|
7,2±0,2 |
|
4,3±0,1 |
10,3±0,2 |
14,6±0,3 |
7,4±0,1 |
Тополь белый |
1 |
21,6±0,4 |
|
|
|
|
19,3±0,3 |
|
|
2 |
27,3±0,5 |
|
|
|
|
23,3±0,5 |
|
|
Примечание.* 1 - прирост побегов в длину, см; 2 - площадь листьев, см2
Биометрические показатели деревьев и кустарников в зоне влияния КрАЗа
Порода |
Показатель |
Промплощадка |
Сектор СЗ-СВ 2-3 км от завода |
Сектор ЮЗ-СЗ |
0-0,5 км |
2-3 км |
одиночные |
групповые |
одиночные |
групповые |
одиночные |
групповые |
Тополь бальзамический |
1 |
8,8±0,2 |
12,1±0,2 |
26,8±0,1 |
17,8±0,3 |
23,4±0,4 |
25,6±0,4 |
2 |
12,7±0,2 |
18,5±0,4 |
29,7±0,5 |
18,4±0,4 |
25,4±0,5 |
28,4±0,6 |
Вяз призмистый |
1 |
12,7±0,3 |
17,3±0,4 |
37,4±0,8 |
22,9±0,5 |
31,3±0,6 |
35,1±0,7 |
2 |
4,4±0,1 |
5,8±0,1 |
16,3±0,3 |
13,5±0,3 |
11,1±0,2 |
15,4±0,3 |
Карагана древовидная |
1 |
|
|
|
12,9±0,2 |
|
|
2 |
|
|
|
12,3±0,3 |
|
|
Примечание.* 1 - прирост побегов в длину, см; 2 - площадь листьев, см2
Рис. 8.19 – Побеги тополя бальзамического (а- 0,5-1,0 км от завода; в - 0,5-1,0 км от завода, у дороги; с- контроль).
Рис. 8.20 - Побеги вяза приземистого (а- 0,5-1,0 км от завода, у дороги; в- контроль)
Рис. 8.21 - Побеги березы повислой (а- 0,5-1,0 км от завода; в- контроль)
С удалением от источника в том же секторе до 2-3 км состояние древесных растений несколько улучшается. Максимальное снижение прироста - у черемухи (40 %), минимальное - у ивы (14 %). Аналогично изменяется и площадь листа.
Посадки, расположенные вдоль транспортных магистралей, угнетены в большей степени. Снижение биометрических показателей в некоторых случаях может достигать катастрофического значения. Прирост побегов растений, произрастающих возле дороги под факелом (0,5-1 км), составляет 61-75 % от значений замеров в том же секторе, но в достаточном удалении от дороги.
При этом меньшая потеря прироста характерна для тополя, вяза, сирени, ивы, большая - для черемухи и березы.
При сравнении показателей роста с помощью дисперсионного анализа (Зелепухин, 1969), было выявлено существенное улучшение ростовых процессов деревьев в групповых посадках по сравнению с одиночными.
Следует заметить, что определенное увеличение как линейного прироста побегов, так и площади листьев наблюдается и в контроле. Однако в условиях промышленной среды оно значительно выше.
Это вызвано не только формированием более благоприятных микроклиматических условий, но и простой защитой полога от прямых газовых потоков.
Максимальное улучшение прироста побегов в секторе ЮВ-СВ наблюдается при удалении от завода на 0,5-1 км у тополя – 151 % (Р<0,001), у вяза – 143 % (Р< 0,001).
Для промплощадки, где нехарактерно однонаправленное действие газовых потоков на растение, нивелируется защитная функция краевых особей, прирост боковых побегов составляет для тополя 138 % (Р< 0,001), для вяза – 133 %( Р< 0,001). С уменьшением концентрации токсичных веществ в воздушных потоках, распространяемых от завода, с увеличением расстояния от него, положительное действие группового размещения снижается, приближаясь к контрольным значениям. Изменение площади листьев подтверждает отмеченную реакцию побегов.
В северном и западном направлениях от алюминиевого завода с эпизодическим действием токсикантов состояние древесных значительно улучшается. В северном направлении, в удалении от источника в 2-3 км, биометрические показатели тополя и вяза по абсолютным значениям равны контрольным данным.
С северной и северо-восточной сторон к заводу подходит возвышенность со средней высотой 300 м. Территория занята под сельскохозяйственные угодья. Прямоугольники полей окаймлены лесозащитными полосами из тополя черного. Большой отпад по вершинам объясняется не только неблагоприятным для тополя режимом увлажнения, но и высоким уровнем загрязнения. Особенности роста представлены в табл. 8.5.
Таблица 8.5
Влияние выбросов КрАЗа на полезащитные полосы тополя черного (сектор СВ-В)
Показатели |
Удаление от завода (км), условия и месторасположение |
7 |
8 |
9 |
вершина холма |
вершина холма |
вниз по склону 150 м |
вниз по склону 300 м |
вершина холма |
вниз по склону 150 м |
вниз по склону 300 м |
Прирост побегов, см |
6,4±0,2 |
9,3±0,3 |
10,3±0,3 |
12,4±0,3 |
11,7±0,4 |
13,9±0,3 |
15,8±0,4 |
?, см |
2,1 |
2,9 |
3,2 |
3,3 |
4 |
2,9 |
4 |
V, % |
33,2 |
30,8 |
31,6 |
27 |
34,5 |
20,7 |
25,4 |
Площадь листьев, см2 |
9,3±0,2 |
10,9±0,3 |
11,7±0,3 |
13,1±0,4 |
19,1±0,6 |
17,0±0,6 |
19,1±0,6 |
?, см2 |
1,6 |
1,9 |
2,1 |
2,2 |
3,8 |
4 |
4 |
V, % |
16,8 |
17,5 |
18,3 |
16,9 |
20,1 |
23,5 |
21,2 |
Основной газовый поток распространяется на уровне вершины холма, нижние же слои, формирующиеся из фонарных выбросов, поднимаются по склону, что образует на вершине холма крайне высокий уровень загрязнения. Это, наряду с неблагоприятным режимом увлажнения, и приводит к тому, что, несмотря на значительное удаление от завода, уменьшение прироста побегов и площади листьев очень значительно, соответственно, 40 % и 34 % от контроля.
С удалением от завода по относительно ровному плато и при понижении в более благоприятные эдафические условия, улучшаются ростовые процессы, уменьшается суховершинность тополя черного
|
