Анализ критериев опасности загрязнения атмосферы для растений

Анализ критериев опасности загрязнения атмосферы для растений

К.Б.Бакиров, к.г.н. (КРСУ); К.Д.Дуйшоков, к.ф.-м.н. (Институт автоматики НАН КР) 

Целью этой работы является исследование вопроса влияния загрязнения атмосферы г. Бишкек на растительность. При этом рассматривались следующие вопросы: 1) значение растений в биосфере Земли; 2) роль растений в очищении атмосферы; 3) указание наиболее чувствительных растений для условий г. Бишкек; 4) оценка критериев опасности загрязнения и установления пороговых концентраций, приводящих к повреждению и гибели растений и 5)указание мероприятий которые способствуют уменьшению воздействия загрязнения атмосферы на растительность.

Растительность - не только продукт органической материи на земле, но также с ее значительным участием формируются почва, климат и погода, круговорот материи и энергии, создаются экологические условия, необходимые для существования всех других живых организмов, включая человека. Поэтому охрану природы на современном этапе следует рассматривать не столько как сохранение отдельных организмов и сообществ, а преимущественно как сохранение естественных процессов поддержания и регуляции круговорота веществ и энергии в биосфере, обеспечивающих продолжение жизни на земле [8]. Так как растительность (продуценты) стоит у истоков всех биогеохимических, экологических и энергетических процессов в биосфере, то она является одним из наиболее важных компонентов, определяющих благополучие биосферы и жизни на земле.

Уменьшение загрязнения среды следует добиваться преимущественно технологическими способами. Однако даже самые совершенные очистные сооружения не в состоянии избавить нас от выбросов вредных веществ. Среди вспомогательных способов регуляции чистоты воздуха большое значение, несомненно, имеет биологический способ (поглощение и переработка вредных веществ и газов растениями), так как афтоторфный характер метоболизма позволяет им ежедневно перерабатывать огромные массы воздуха.

Лес служит тем уникальным “насосом“, который перерабатывает и перекачивает “огрехи“ человеческой деятельности [8]. Известно, что в солнечный день, например, 1 га леса поглощает 220-280 кг диоксида углерода и выделяет 180-220 кислорода, а все леса планеты за год “пропускают“ через себя более 550 млрд. т диоксида углерода и возвращают человеку около 400 млрд. т кислорода. Кроме того, леса поглощают большое количество пыли (1 га леса за год - от 32 до 63 кг пыли в зависимости от своего состава), выделяют очень ценные для человека вещества - фитонциды, способные убивать болезнетворные микробы (1 га леса в сутки дает 2-4 кг фитонцидов, а 30кг их достаточно для уничтожения вредных микроорганизмов в большом городе).

Вредное влияние загрязненного воздуха на растения происходит, как путем прямого действия газов на ассимиляционный аппарат, так и путем косвенного воздействия через почву [8]. Причем прямое действие кислых газов приводит к отмиранию отдельных органов растений, ухудшению роста и урожайности, а также качества сельскохозяйственной продукции. Накопление же вредных веществ в почве способствует уменьшению почвенного плодородия, своеобразному засолению почв, гибели полезной микрофлоры, нарушению роста, отравлению корневых систем и нарушению минерального питания. Аккумуляция газа в экосистеме идет с участием трех компонент: растительности, почвы и влаги. В зависимости от погодно-климатических условий, солнечной радиации и влажности почв может изменяться поглотительная способность и удельный вес этих компонент.

Загрязнение атмосферы приводит к значительному повреждению растительности. Во многих городах и вблизи них исчезают сосна и другие породы деревьев. Например, в Центральной Европе повреждено почти 1 млн. га хвойных лесов, или 10% общей площади леса [8]. Общая площадь пораженных лесов, значительная часть которой связана с воздействием загрязнения атмосферы, в Европе (без СНГ) и Северной Америке составляет более 6 млн. га, в том числе в Германии - 39 млн. га, Польше - 0.38 млн. га, Чехии и Словакии 0.3 млн. га, в Канаде 1 - 1.5 млн. га, США - 0.5 млн. га.

Лишь благодаря поглотительной деятельности растений, почвенной и водной среды происходит очищение атмосферного воздуха. Однако возможности этих систем не безграничны. Более того, они не справляются с поглощением и обезвреживанием суммарного годового выброса. Этим можно объяснить “отказ” растительности регулировать содержание СО2 в воздухе [8]. Так, в Англии интенсивность фотосинтеза древесных насаждений снизилась более чем в 5 раз. Загрязнение воздуха из локального (до конца ХХ века) превратилась в глобальное. Доказано, что загрязненный воздух из Германии достигает Норвегии, Швеции, а из Японии – США.

Физические исследования позволили высказать гипотезу о причинах роста концентрации углекислого газа в атмосфере Земли [8]. С одной стороны, это вызвано ростом потребления, сжигания и переработки топлива и углеродосодержащих материалов, а с другой - уменьшением годичной продуктивности автотрофных организмов в наземных и водных экосистемах. Последнее вызвано: 1) заменой более продуктивных естественных лесных фитоценозов на искусственные и менее продуктивные (сельхоз. угодья занимают уже более 10% суши); 2) подавлением фотосинтеза у растений под влиянием повышения фона загрязнения воздуха, воды и почвы. Известно, что агроценозы, даже самые высокоурожайные, уступают естественным лесным фитоценозам по суммарной за год (на единицу площади) биологической продуктивности, а, следовательно, фотосинтезирующей деятельности, которая обеспечивает утилизацию CO2 и регенерации кислорода.

Подавление фотосинтеза у наземных растений на значительных площадях промышленных стран стало непреложным фактом, так как оно уже ощутимо при концентрации SO2 0.03-0.05 мг/м3. Следовательно, годовой выброс всех вредных эксгалатов на Земле приближается к предельному или допустимому уровню, который может утилизироваться и обезвреживаться в биосфере с участием (в первую очередь) продуцентов. Вместе с тем это заставляет искать и разрабатывать методы контроля качества среды и добиваться международного решения вопроса ограничения загрязнения биосферы.

Известны чувствительные растения - индикаторы, не выносящие даже очень слабого загрязнения воздуха. Под влиянием очень слабых концентраций сернистого газа мхи и лишайники первыми исчезают из состава фитоценозов. К действию фтора очень чувствительны гладиолусы.

Кислые газы, нарушая рост и развитие растений (неоднократная смена листьев, вторичный рост побегов, а иногда и вторичное цветение), могут снижать устойчивость их к другим неблагоприятным факторам; засухе, заморозкам, засолению почв.

Повреждения (ожоги) делят по характеру их проявления и изменению физиолого-биохимических процессов у растений на: острые (катастрофические), хронические и невидимые.

Различают пять степеней повреждения растений сернистым газом в зависимости от концентрации его и продолжительности поглощения листьями: отсутствие повреждений, скрытые, хронические, острые и катастрофические.

Активации повреждаемости растений газами способствует повышенная температура, влажность воздуха и солнечная радиация, т.е. факторы повышающих газообмен и поглощение токсичных газов. При пониженной освещенности и ночью повреждаемость растений уменьшается. Прекращение газообмена зимой у хвойных пород также предохраняет их от повреждений.

Исследования [8] показали, что зеленые растения более чувствительны к различным газам, чем животные и человек. Допустимая максимально- разовая концентрация SO2 для растений оказалось равной 0.02 мг/м3 (для животных и человека 0.05 мг/м3). Большая чувствительность растений связана с большей скоростью проникновения газа и автотрофным характером их метаболизма.

В табл.1, составленной [5] с учетом данных Фогля и др. [11] и Вейнстейна и Маккюна [12], существующие типы и масштабы последствий атмосферных загрязнителей на различных уровнях организации экосистемы предложены в качестве основы для дальнейших исследований. При таком сопоставлении устанавливается взаимосвязь между влиянием на клеточном уровне и реакциями всего растения или даже растительного сообщества в целом. Процесс воздействия начинается с поступления загрязнителя в клетку, далее на растительный организм и, в конечном счёте на растительные сообщества в целом.

Прежде чем дадим оценку влияния вредных примесей на растения, рассмотрим уровень загрязненности атмосферы г. Бишкек, который наблюдался в период наибольшего развития промышленности. Уровень загрязнения воздуха в Бишкеке в конце 80-х годов был очень высоким [2]. Для атмосферы города характерно было значительное содержание пыли и бенз(а)пирена: средние за год концентрации составляли соответственно 7 и 14 ПДК. Наибольшие уровни содержания бенз(а)пирена наблюдались вблизи вокзала и железной дороги. В 6 км от железной дороги концентрация снижается почти в 8 раз. Максимальные разовые концентрации пыли, окиси углерода и двуокиси азота составляют 10-16 ПДК, других веществ 2-3 ПДК. Существенный вклад в высокий уровень запыленности воздуха вносили северная промышленная зона, а также ТЭЦ-1, мелкие котельные предприятия легкой и пищевой промышленности.

Таблица 1

Классификация действия атмосферных загрязнителей на растения

Клетка

Уровень организации

 

ткань или орган

организм

экосистема

Поглощение загрязнителя

Поглощение или осаждения загрязнителя

Поглощение или осаждения загрязнителя

Накопление загрязнителя в растениях и других компонентах экосистемы, таких, как почва, поверхностные и грунтовые воды

Изменение клеточной среды

Изменение ассимиляция, дыхание или транспирация

Изменение роста

 

Действия на ферменты и метаболиты Изменения клеточных органелл и метаболизма

Изменения в росте и развитии

Повышение восприимчивости к биотическим и абиотическим влияниям 

Снижение продуктивности, урожая и качества

Вредность для потребителей как результат накопления (флюроз) 

Изменение видового состава, также связанные со сдвигами в межвидовой борьбе

Нарушение путей обмена веществ

Хлороз, некроз

Гибель растений

Нарушение биогеохимических циклов

Изменение клеток

Гибель или отмирание органов растений

 

Нарушение стабильности и уменьшение способности к саморегуляции

Разрушение и гибель клеток

 

 

Распад древостоев и ассоциаций Расширение лишенных растительности зон (опустошение)

В настоящее время уровень загрязнения г. Бишкек остаеться высоким. Несмотря на то, что многие промышленные предприятия не функционируют, тем не менее увеличился выброс за счет возрастания количества автомобильного транспорта (до этого экплуатированных в развитых капиталистических странах). В последние годы прошлого века отмечались высокие концентрации пыли (2-3 ПДК), оксида азота (1,8 - 2,9 ПДК), оксида углерода (до 2 ПДК) и амиака (до 3,2 ПДК). Концентрации других ингредиентов находятся в пределах или чуть выше ПДК

Из всех примесей, оказывающих вредное воздействие на растительность, самым изученным является двуокись серы [1,3,6,8,9,10], именно ей уделим основное внимание. О’Гара установил сравнительную чувствительность примерно 100 видов растений к SO2 в условных единицах, причем за единицу принята чувствительность люцерны [3]. Для самой люцерны установлено, что начальные признаки её повреждения соответствуют концентрации SO2 (условно эту ПДК обозначим Сpd), равной 3.3мг/м3 или 1.2 млн-1 при длительности воздействия 1ч.

Для величин Сpd по отношению к растительности О’Гара установил их зависимость от времени действия t в виде уравнения Сpd = 0.33 + 0.92/ t, где Сpd выражено в млн-1, а t - в часах.

Слабому поражению листа соответствует Сpd = 0.94 + 0.24/ t, а разрушению листа на 50 и 100% соответствуют Сpd = 1.4 + 2.1/ t и Сpd = 2.6 + 3.2/ t .

На основе этих формул произведена классификация растений по степени устойчивости растений к SO2 и расчитаны пороговые концентрации диоксида серы, при которых растения подвергаются различным воздействиям.

Таблица 2

Сравнительная устойчивость растений к SO2 и пороговые концентрации SO2 (в млн-1).

Растение

Устойчивость

Повреждение

 

Значение

Степень

слабое

на 50%

на 100%

люцерна

1.0

слабая

1.2

3.5

5.8

овес

1.3

слабая

1.5

4.6

7.5

клевер

1.4

слабая

1.6

4.9

8.1

пшеница

1.5

слабая

1.8

5.2

8.7

горох

2.1

средняя

2.5

7.4

12.2

виноград

2.2

средняя

2.6

7.7

12.8

абрикос

2.3

средняя

2.8

8.0

13.5

картофель

3.0

значительная

3.6

10.5

17.4

кукуруза

4.0

значительная

4.8

14.0

23.2

огурцы

4.2

значительная

5.0

14.7

24.4

сосна

7

значительная

8.4

24.5

40.6

Концентрации вредных примесей по-разному оказывают влияние, как на культурные, так и на дикорастущие виды растений. Растения имеют различную чувствительность к примесям как от их концентрации так от продолжительности их воздействия (рис.).

Группа экспертов ВОЗ для оценки воздействия SO2 на окружающую среду, человека и растительность рекомендовала пользоваться графиком, приведенным на рис. [10]. Из него следует, что при небольших концентрациях SO2 растения могут повреждаться при больше продолжительности времени воздействия, так, например, при концентрации больше 0.2 мг/м3 растения могут повреждаться в течение месяца. При уменьшении времени воздействия концентрация веществ, приводящих к повреждению, увеличивается, так кратковременное до 5 минут резкое увеличение концентрации (которое может наблюдаться при залповых выбросах и при аварии) может привести к повреждению и гибели растительности. Однако зависимости эти еще недостаточно изучены. Нередко отмечаются случаи повреждения деревьев, особенно хвойных, при весьма малых концентрациях SO2.



Рис. Зависимость между концентрацией SO2, при которой 

повреждаются растения, и временем воздействия

I – область значений концентраций SO2 и продолжительности воздействия, при которых установлено повреждение растительности; II – то же, при которых не установлено повреждение

Несмотря на то, что уровень загрязнения воздуха в целом в Бишкеке выше среднего по СНГ, концентрация SO2 в отдельные годы колеблется в пределах от 0.003 до 0.009мг/м3 и поэтому никакой опасности для растений в настоящее время не представляет. Соблюдение ПДК во многих случаях позволяет обеспечить необходимые условия сохранения растений от их повреждения вследствие загрязнения воздуха.

Для ослабления угнетающего действия атмосферного загрязнителей применяют удобрения, которые ослабляют отрицательное воздействие почв и непосредственно влияют на прогрессирующее развитие повреждений надземных органов растений. Под влиянием SO2 может происходить сильное подкисление почв [5]. Вследствие зависимости растительности от реакции почвы при подкислении могут происходить изменения видового разнообразия сенокосных угодий и естественных экосистем. Для сельскохозяйственных площадей важно, чтобы в почве имелось достаточное количество кальция, необходимого для поддержания pH в оптимальных пределах, обеспечивающих протекание реакций обмена ионов, насыщения коллоидов и поддержания рыхлости почвы. В качестве питательного вещества кальций, кроме того, повышает устойчивость к SO2 и HF. Эти положения также справедливы и для азота. Вместе с тем, сразу после внесения больших доз азотных удобрений может повыситься чувствительность растений к токсикантам, и поэтому рекомендуется постепенное внесение удобрений.

Калий также увеличивает устойчивость растений. Оптимальное снабжение калием, особенно в случае воздействия SO2, уменьшает степень повреждения, поскольку скорость поглощения SO2 противоположность скорости поглощения HF не возрастает. В целом внесение удобрений надо проводить таким образом, чтобы, насколько возможно, избежать внесения тех элементов, которые входят в состав загрязнений. Более того, удобрения лучше всего вносить в такой химической форме, которая способствует уменьшению поглощения данных элементов. Например поскольку ионы NO3 подавляют поглощение ионов Cl [5], то очевидно, что при наличии HCl нитратное удобрение будет более эффективным, чем удобрение азотом в форме аммония.

Таким образом, для улучшения экологического состояния г. Бишкек необходимо сохранить, а в лучшем случае увеличить площади зеленых насаждений, причем приоритет необходимо давать древесным насаждениям, выделяющим большое количество фитонцидов (сосна, ель, арча). Косвенно об экологическом состоянии можно судить по наличию мхов и лишайников, чутко реагирующих на увеличение SO2 в атмосфере. Для уменьшения воздействия загрязнения атмосферы на растения необходимо вносить в почву такие удобрения, как азотные, калийные и кальциевые. В настоящее время угроза со стороны SO2 на растения нет, если исключить возможные залповые выбросы, которые могут быть в результате аварий или сжигания угля с большим содержанием серы. 

Список литературы

1. Баркер и др. Загрязнение атмосферного воздуха. - Женева, ВОЗ, 1962.

2. Безуглая Э.Ю, Расторгуева Г.П., Смирнова И.В. Чем дышит промышленный город. -Л.: Гидрометеоиздат. 1991. -256с.

3. Берлянд М.Е. Прогноз и регулирование загрязнения атмосферы. –Л.: Гидрометеоиздат, 1991. –136с.

4. Владимиров А.М. и др. Охрана окружающей среды. Л.: Гидрометеоиздат.1991. -442с.

5. Гудариан Р. Загрязнение воздушной среды / Пер. с англ. Под ред. Г.М.Илькуна. -М: Мир. 1979, 200с.

6. Илькун Г.М. Загрязнение атмосферы и растений. -Киев: Наукова думка.1978. -248с.

7. Климат Фрунзе / Под ред. Е.С.Скибы, Ц.А.Швер. -Л.: Гидрометеоиздат, 1990. -136с.

8. Николаевский В.С. Биологические основы газоустойчивости растений. – Новосибирск: Наука. 1979, -278с.

9. Николаевский В.С., Першина Н.А. Проблемы предельно допустимых концентраций загрязнителей, воздействующих на растения / Проблемы фитогигиены и охрана окружающей среды. Изд. АН СССР, С.117-121.

10. Sucss M.J., Crastford J.R., eds Manual on urban air quality management. - Copenhagen: 1976, BHO. 200p.

11. Vogl M., Börtisz S., Poster H. Physiologischt und biochemishe Beitrage zur Rauchaden fochung. G. Mitt. Definitionen von Shadigungsstufen und resistenzformen gegenuber der shadgaskompontnte SO2. Biol. Zbl. 84, 763-777.

12. Weinstein L.H., McCune D.C. (1970). Effects of fluoride on agriculture. JAPCA 21, -P.410-413.