Сосна обыкновенная как биоиндикатор состояния техногенно загрязняемых лесных экосистем Байкальского региона

Сосна обыкновенная как биоиндикатор состояния техногенно загрязняемых лесных экосистем Байкальского региона

О.В. Калугина, к.б.н., Т.А. Михайлова, д.б.н., Е.Н. Тара-ненко, аспирантка, Сибирский институт физиологии и биохимии растений СО РАН

В современный период одной из важнейших задач в научных исследованиях в Байкальском регионе является изучение функционирования

экосистем под влиянием антропогенных факторов, в том числе промышленного загрязнения. В условиях постоянно усиливающегося техногенного пресса на территории региона обостряются проблемы, связанные с сохранением структурной целостности и устойчивости лесов — важнейшего средообразующего ресурса. Леса выполняют

климаторегулирующие, водоохранные, проти-воэрозионные и другие экологически значимые функции, поэтому по их состоянию можно адекватно оценить экологическую ситуацию на определённой территории. Исходя из многолетних исследований состояния лесов, в качестве биоиндикатора мы выбрали сосну обыкновенную (Pinus sylvestris L.). Эта порода помимо широкого распространения и важных лесообразующих функций обладает высокой чувствительностью к техногенным поллютантам [1].

Значимость техногенных эмиссий как негативного экологического фактора, влияющего на состояние лесов, обусловлена мощным экономическим потенциалом Байкальского региона. На его территории располагается более десяти крупных промышленных центров, ежегодный объём аэровыбросов от которых составляет около 600 тыс. т загрязняющих веществ [2]. Большой вклад в загрязнение атмосферы вносят предприятия теплоэнергетики, химической промышленности, алюминиевое производство, автотранспорт. Теплоэлектростанции поставляют в атмосферу большое количество диоксида серы и аэрозолей тяжёлых металлов; в выбросах предприятий химической промышленности велико количество ртути, органических соединений, диоксида серы, окислов азота, неорганических солей, в частности цинка и никеля. В эмиссиях алюминиевых заводов отмечается очень высокое содержание фтора, велико также количество диоксида серы, аэрозолей тяжёлых металлов, полициклических ароматических углеводородов. В выбросах автотранспорта наряду с окисью и двуокисью углерода, диоксидом серы, углеводородами отмечается большое количество соединений свинца.

Цель и методика исследований. Цель данной работы — используя в качестве биоиндикатора сосну обыкновенную, оценить состояние лесных экосистем, подвергающихся воздействию выбросов разных производств: теплоэлектростанций, химических комбинатов, алюминиевого производства, а также автотранспорта.

В районе работ преобладают подтаёжные леса, в которых доминируют сосняки разнотравные и разнотравно-брусничные, преимущественно III класса бонитета. Обследование древостоев проводили в южной части Байкальского региона на 10 пробных площадях, заложенных на территориях, прилегающих к крупным предприятиям (в радиусе до 5 км) и основным автомагистралям (на расстоянии 150—250 м). Закладку пробных площадей осуществляли в 2010—2011 гг. Древостои детально обследовали в соответствии с ОСТ [3]. Уровень загрязнения древостоев оценивали по концентрации элементов-токсикантов в хвое, жизненное состояние деревьев — по комплексу визуальных и морфометрических параметров

стволов, побегов и ассимиляционных органов, а также по содержанию в хвое биофильных элементов. Изучаемые параметры деревьев, загрязняемых аэропромвыбросами, сравнивали с соответствующими показателями на фоновых территориях, расположенных в 100—250 км от промышленных предприятий.

Образцы хвои второго года жизни для определения элементного химического состава отбирали из средней части крон с 5—8 деревьев 40-летнего возраста (II класс по Крафту). На каждой пробной площади отбирали 3 пробы, аналитическая повторность анализов составляла 9 измерений, для морфоструктурных параметров — 30—100 измерений. Элементный химический состав определяли методами атомноабсорбционной спектрофотометрии, пламенной фотометрии, фотоколориметрирования [4, 5]. Статистическую обработку данных проводили с использованием пакета программ Ms Office (Excel) и STATISTICA 6.0.

Результаты исследований. Результаты проведённых исследований показывают, что в условиях техногенного загрязнения содержание элементов в ассимиляционных органах сосны значительно изменяется, при этом в хвое увеличивается количество элементов, входящих в состав выбросов. Так, высокий уровень серы выявляется в хвое сосны вблизи всех промышленных предприятий, в наибольшей степени серосодержащими выбросами загрязнена территория около ТЭЦ. Максимальные концентрации фтора в ассимиляционных органах деревьев выявляются на территории, прилегающей к алюминиевому заводу; вблизи других производств уровень фтора в хвое в 2—3 раза превышает фоновый. При исследовании распространения других элементов, присутствующих в составе выбросов, выявляются участки высоких их концентраций, а также слабозагрязнённые территории (табл.).

Воздействие промышленных эмиссий приводит к нарушению жизненного состояния сосновых древостоев на всех обследованных участках, о чём свидетельствует изменение целого ряда визуальных и морфоструктурных параметров крон и побегов. Так, уровень дефолиации крон значительно возрастает, достигая 60% вблизи химических комбинатов и крупных автомобильных дорог, 55% — в окрестностях теплоэлектростанций, 50% — около алюминиевого завода, тогда как на фоновых территориях он колеблется от 20 до 30%. У деревьев, загрязняемых промышленными эмиссиями, обнаруживается дехромация хвои от 5 до 25%, при этом наиболее высокие значения отмечаются вблизи автомагистралей. При воздействии выбросов автотранспорта и химических производств продолжительность жизни хвои сокращается до 2 лет, вблизи ТЭЦ и

Промышленные территории Байкальского региона с высоким содержанием химических элементов в хвое сосны

Тип промышленного производства Элементы наибольшего накопления в хвое сосны Превышение (раз) фоновых концентраций

S 3,2

Теплоэлектростанции W 32,0

(ТЭЦ-10, ТЭЦ-11) Co 5,2

Mo 8,8

Химические комбинаты Hg 26,0

(ООО «Усольехимпром», Zn 2,0

ОАО «Саянскхимпром») Ni 29,8

F 9,2

Li 6,0

Алюминиевое производство As 4 3

(ОАО «РУСАЛ-ИркАЗ») Si 3,5

Al 2,5

Pb 9,8

Автотранспорт Fe 7,0

(главные автомагистрали Cu 2,1

гг. Иркутска, Ангарска) Cr 6,6

V 7,8

алюминиевого завода — до 3 лет, в то время как на фоновых территориях она составляет 5—6 лет.

Анализ морфоструктурных показателей стволов, побегов и ассимиляционных органов сосны свидетельствует, что в наибольшей степени они отличаются от фоновых параметров вблизи автомобильных дорог и химических комбинатов. Так, объём ствола уменьшается по сравнению с фоновыми показателями до 5,5 раза, масса хвои побегов второго года жизни — до 4,8 раза, количество хвоинок на этих побегах — до 3,5 раза, длина побегов второго года жизни — до 2,5 раза, высота и диаметр стволов — до 1,8 раза, масса одной хвоинки — до 1,5 раза.

При исследовании содержания фракций азота в хвое загрязняемых деревьев выявлено снижение соотношения N белковый / N небелковый, обусловленное возрастанием уровня небелковых соединений. Так, вблизи автомагистралей концентрация небелкового азота в хвое достигает 0,60% от сухой массы, около химических комбинатов — 0,40%, алюминиевого завода и теплоэлектростанций — 0,35%, на фоновых территориях содержание небелкового азота равно в среднем 0,17%. Показатель соотношения N белковый / N небелковый в хвое деревьев на этих территориях составляет соответственно 3,15; 3,50; 4,15 и 4,80, для фоновых деревьев — в среднем 6,80. При рассмотрении содержания биофильных элементов обнаруживается выраженная тенденция к снижению калия, фосфора и марганца в хвое загрязняемых деревьев. Наибольшее уменьшение их содержания в хвое сосны обнаруживается вблизи крупных автомобильных дорог — соответственно на 20, 37 и 70% от фонового уровня. В окрестностях химических предприятий концентрации калия, фосфора и марганца снижаются на 21, 33 и 63%, около алюминиевого завода — соответственно

на 21, 20, 53%, вблизи ТЭЦ - на 21, 22 и 40% от фоновых значений.

Выводы. 1. В условиях атмосферного промышленного загрязнения в хвое сосны увеличивается количество элементов, входящих в состав выбросов, при этом уровень их накопления зависит от типа промышленного производства: вблизи теплоэлектростанций отмечается наибольшее количество серы, вольфрама, кобальта, молибдена, вблизи химических комбинатов - ртути, цинка, никеля, вблизи алюминиевого завода - фтора, лития, мышьяка, кремния, алюминия, вдоль крупных автомагистралей - свинца, железа, меди, хрома, ванадия.

2. Динамика морфоструктурных параметров загрязняемых деревьев и содержание в их ассимиляционных органах биофильных элементов характеризуются однонаправленной тенденцией - снижением. Кроме того, установлено, что при воздействии аэропромвыбросов уровень дефолиации крон деревьев достигает 60%, дехрома-ция хвои возрастает до 25%, продолжительность жизни ассимиляционных органов сокращается до 2-3 лет. Максимальные изменения параметров жизненного состояния деревьев обнаруживаются вблизи химических производств и крупных автомагистралей.

Литература

1. Mikhailova T.A. The physiological condition of pine trees in the Prebaikalia (East Siberia) // Forest Pathology. 2000. Vol. 30. P. 345-359.

2. Государственный доклад о состоянии и об охране окружающей среды Иркутской области за 2010 год. Иркутск: ООО «Форвард», 2011. 400 с.

3. ОСТ 16128-90. Пробные площади лесоустроительные. М.: Гослесхоз СССР, 1990. 8 с.

4. Методы биохимического исследования растений. Л.: Агро-промиздат, 1987. 430 с.

5. Пройдакова О.А., Цыханский В.Д., Матвеева Л.Н. и др. Физико-химические методы при определении макро- и микроэлементов в объектах окружающей среды // Геохимия техногенеза: сб. статей / под. ред. Пиннекера Е.В. Новосибирск: Наука, 1986. С. 124-130.