Концентрация тяжелых металлов в снежном покрове и реакция лесных насаждений на эмиссии

168

Труды лесоинженерного факультета ПетрГУ

Концентрация тяжелых металлов в снежном покрове и реакция лесных насаждений на эмиссии

И. А. Царев1 Воронежская государственная лесотехническая академия

В работе исследуется количественное содержание железа, марганца, меди, кадмия, цинка и свинца (продуктов отработавших газов автомобильного транспорта) в снежном покрове придорожной полосы и лесного массива, прилегающего к автостраде Москва-Воронеж, и показана реакция сосновых насаждений на эмиссии.

Ключевые слова: газы автотранспорта, дигрессия, загрязнение окружающей среды, лесные массивы, техногенез, тяжелые металлы, эмиссии.

В настоящее время города, близлежащие сельхозугодья и лесные массивы все больше подвергаются антропогенному воздействию, что пагубно сказывается на их состоянии, а в отдельных случаях возникает критическая экологическая обстановка.

В комплексе антропогенных факторов, отрицательно действующих на природную среду, особое место по масштабам и опасности воздействия составляют промышленные и автотранспортные выбросы. Причем во многих регионах автотранспорт занимает ведущее место среди всех видов источников загрязнения окружающей среды, и его доля ежегодно увеличивается. Уже сейчас, по данным ряда авторов, автомобили вносят от 44 до 90% от суммарного выброса загрязняющих веществ в атмосферу [1-4].

В атмосферу попадает целый спектр тяжелых металлов, пыли и нефтепродуктов, которые по токсичности и влиянию на окружающую среду в большинстве случае имеют наибольший вес. Наибольшее влияние на окружающую среду и человека, по данным Ю. В. Ивановой, А. Т. Козлова и др., оказывают свинец, цинк, кадмий, медь, марганец, железо и др. [5-6].

Мерилом токсичности техногенной нагрузки, по данным Ю. В. Ивановой, считается заболеваемость детей, которая в районах с интенсивным автомобильным движением в 3-5 раз выше, чем в экологически безопасных. Врожденные аномалии и пороки у детей различных регионов за последние десятилетие увеличились более чем в три раза и достигают 31 - 44% [4, 5].

Воздействие отработавших газов автотранспорта и других эмиссий гораздо раньше можно проследить на

1 Автор - аспирант лесоинженерного факультета

ВГЛТА

©И. А. Царев, 1999

лесных насаждениях, так как восприимчивость древесных видов к загрязнению многими фиготоксикан-тами значительно выше, чем у человека или животных [7]. В придорожных насаждениях растения теряют устойчивость и способность к самовозобновлению, у них снижается интенсивность роста, сокращается продолжительность жизненного цикла, наблюдаются изреживание и гибель насаждений [8, 9].

На смену лесам на обширных территориях приходит степная растительность, а иногда и пустыня [б]. За последние годы в ряде западноевропейских стран в результате загрязнения атмосферы эмиссиями резко возросли масштабы повреждений и отмирания лесов. Так, по данным Lehringer, Wunder, Brelon, Kirch и др., такие повреждения лесов в ФРГ составляли 34%. Из хвойных пород наиболее сильно повреждались пихта (87%), сосна (59%) и ель (51%); из лиственных - бук (50%) и дуб (43%) [10, 11].

По данным П. С. Пастернака и др., площадь поврежденных лесов в ФРГ составляла около 2,5 млн. га, в Польше - 654 тыс. га, в Чехословакии - 692 тыс. га, в Австрии - 200 тыс. га. В долине р. Коппер в восточной части США (штат Теннесси) от выброса сернистого ангидрида и тяжелых металлов полностью повреждены и превратились в "промышленную пустыню" 2 800 га смешанных лесов, а на площади 6 900 га осталась только травянистая растительность [7]. Охрана лесов от повреждения эмиссиями считается серьезной проблемой и в Великобритании, Швеции, Швейцарии и других стран [10].

Для выявления причин аномалий роста и сохранности лесных насаждений, связанных с загрязнением среды, необходимы количественные оценки пространственных и временных изменений, выявление связи наблюдаемых изменений с потенциальными причинами этих явлений, изучение химических и физико-механических свойств древесины, анализ почв на наличие токсичных тяжелых металлов.

Наиболее полно изучено воздействие на древесную растительность двуокиси серы и окиси азота [7, 12, 13]. По данным исследований X. Г. Десслера и др., весьма восприимчивы к загрязнению S02 ель. сосна, лиственница; маловосприимчивы - дуб, клен, ива, береза [12]. По данным S. Huttunen (цит. по П. С. Пастернаку и др. [7]), для хвойных пород опасна среднегодовая концентрация токсикантов S02 = 0,03 мг/м3 , для березы - 0,05 мг/м3. К окиси азота наиболее восприимчивы береза и лиственница; средняя степень восприимчивости характерна для клена, липы, ели; наиболее устойчивыми считаются дуб и ильм. Р. Гудериан порогом токсичности окиси азота при долговременном воздействии на лес считает 350 мкг/м3 [13].

Древесные породы очень удобны для биомониторинга, некоторые из них сильно реагируют на промышленные и автотранспортные эмиссии и могут выступать в качестве биоиндикаторов.

И. А. Царев. Концентрация тяжелых металлов в снежном покрове..

169

По данным А. И. Федоровой и др. [1, 15], наиболее чувствительными к выхлопным газам автомобильного транспорта среди лиственных пород оказались каштан конский, липа, клен, осина и белые тополя.

А. М. Луговской подчеркивает, что лесные насаждения реагируют на загрязнение атмосферного воздуха при более низкой концентрации, чем человек, и поэтому уровень ПДК (например для сосны) необходимо уменьшить до 0,2 от ныне существующего [14].

Влияние тяжелых металлов отработавших газов автомобильного транспорта на лесные сообщества изучено недостаточно. Оценку загрязнения этими эмиссиями конкретного района, как считают Н. М. Дронин, В. А. Агафонов, Г. П. Бутанов, А. Г. Ильдерханов и др. [3, 16], можно проводить по загрязнению снежного покрова. Снежный покров отражает всю геохимическую ситуацию за зимний период благодаря высокой сорбционной способности. Во время снегопада снежный покров получает из атмосферы существенную часть продуктов техноге-неза. В нем аккумулируются также все выпадающие из воздуха вещества в периоды между снегопадами.

С целью получения детальной картины загрязнения воздушной и придорожной среды отработавшими газами автомобилей на автотрассе Москва - Воронеж вблизи г. Воронежа в районе Правобережного лесничества (кварталы № 40, 42, 44, 46, 48, 50) в 1995 -1996 годах проводилось определение тяжелых металлов в снежном покрове. Отбор снежных проб массой до 2 кг осуществлялся на протяжении от 579 до 582 км и на расстоянии от оси шоссе 5, 19, 24 и 29 м в 20 точках.

В пробах определялось содержание свинца и цинка (1 класс опасности), меди и кадмия ( 2 класс), марганца и железа (3 класс опасности). Данные получены при помощи экспрессного анализа проб (без предварительной их подготовки) рентгеновским анализатором АР-104. Результаты определений представлены в табл.1. Сравнение результатов проводилось с контрольными пробами, взятыми во время снегопада в районе Усманского бора как наиболее отдаленного от промышленных районов Воронежа.

Исследования показали, что максимальная концентрация тяжелых металлов в снежном покрове придорожного пространства наблюдалась в 24-метровой зоне и превышала контроль в следующих пределах: меди - в 1,2-3,8; цинка - в 1,1-1,9; марганца - в 1,4-12; железа - в 1,7-10,4; кадмия - в 1,3-3,3 и свинца - в 2-9 раз. Пиковые значения концентрации тяжелых металлов в этой зоне приходятся на территорию, прилегающую к посту Государственной автоинспекции (ГАИ), расположенному у 580-го километра трассы, и превышают ПДК в десятки раз.

В лесном массиве (29 м от оси шоссе) концентрация тяжелых металлов в снежном покрове резко снижалась (по цинку и свинцу - в 1,5-2, меди и марганцу - в

4-4,5, по железу - в 5 раз) и по большинству показателей приближалась к контролю. Исключение составляли свинец, содержание которого превышало контроль в 2,5-3 раза, и кадмий, рассеяние которого было почти равномерным.

Для выяснения санитарного состояния древостоя Правобережного лесничества в местах примыкания к автостраде Москва - Воронеж были обследованы культуры сосны, испытывающие различную степень рекреационной нагрузки. Полученный материал свидетельствует о том, что в непосредственной близости к автостраде встречается наибольшее количество поврежденных, усыхающих и уже усохших деревьев (табл. 2).

Статистическая обработка полученных данных подтвердила зависимость состояния лесных насаждений от интенсивности антропогенного воздействия и, в частности, от загрязнения атмосферы и почвы отработавшими газами автотранспорта.

Анализ лесоустроительных материалов по Воронежскому учебно-опытному лесхозу за период с 1953 по 1994 год показал, что наблюдается увеличение количества поврежденных и усохших деревьев и расширение непокрытой лесом площади. Особенно большую нагрузку техногенеза испытывают сосняки, расположенные в непосредственной близости от города и автомагистрали Москва - Воронеж. Эти насаждения находятся на 4 и 5 стадиях дигрессии, и способность к самовосстановлению у них утрачена. Таких насаждений сосны насчитывается около 3% от общей площади. Около 14% территории относится к 3 стадии дигрессии и требует немедленного снижения антропогенных нагрузок. Остальная площадь Правобережного лесничества находится преимущественно на 2 стадии дигрессии.

Учитывая вышеизложенное, можно сделать следующие выводы:

1. Наибольшая концентрация тяжелых металлов отработавших газов автомобильного транспора в снеге отмечена в пределах 24-метровой зоны, прилегающей к оси автотрассы. В лесном массиве она резко снижается и по большинству ингредиентов приближается к контролю. Исключение составил свинец, содержание которого в лесном массиве, хотя и снизилось почти вдвое, остается очень высоким и превышает контроль в 2,5 -3 раза.

2. Максимальная концентрация тяжелых металлов наблюдалась возле поста ГАИ и была следующей: железо - 6,45 - 12,21; марганец - 0,1-0,29; медь - 0,22-0,23; цинк - 0,06-0,09; свинец - 0,03-0,09 мг/л. Учитывая значительные превышения по этим показателям ПДК, необходимо проводить постоянный плановый контроль за состоянием здоровья работников ГАИ, обслуживающих пост на 580-м километре трассы Москва - Воро-

170

Труды лесоинженерного факультета ПетрГУ

неж, а также за содержанием тяжелых металлов в почве и в снежном покрове.

3. Реакция сосновых насаждений на эмиссии выражается в снижении количества здоровых деревьев (потери до 30%), увеличении поврежденных и усохших деревьев и расширении непокрытых лесом площадей. Насаждения сосны, находящиеся в непосредственной близости от источника эмиссии, потеряли способность к самовозобновлению и относятся к участкам с 4 и 5 стадиями дигрессии и составляют примерно 3% от общей площади. Около 14% территории относится к 3 стадии, остальная площадь Правобережного лесничества находится преимущественно на 2 стадии дигрессии.

4. Для оздоровления окружающей среды в районе автомагистралей необходимо снижать выбросы отработавших газов в атмосферу путем применения каталитических нейтрализаторов и более современных видов топлива, а также контроля за техническим состоянием автомобилей и увеличивать объемы посадок лиственных пород.

ЛИТЕРАТУРА

1. Федорова А. И. Биоиндексация состояния городской среды по реакциям древесных растений // Геоэкологические проблемы устойчивости развития городской среды. Воронеж: Квадрат, 1996. С. 212-213.

2. Жданова М. Дорогу охраняют деревья // Коммуна. 1995. 13 июля. № 130. С. 4.

3. Дронин Н. М. Оценка вклада непромышленных источников тяжелых металлов в загрязнение городских почв // Геологические проблемы устойчивого развития городской среды. Воронеж: Квадрат, 1996. С. 183-184.

4. Вардуни Т. В. Перестройки хромосом в клетках высших растений как показатель мониторинга мутагенов окружающей среды: Автореф. дис. ... канд. биол. наук / Воронежский гос. ун-т. Воронеж, 1997. 24 с.

5. Иванова Ю. В. Геохимический метод и математическое моделирование при оценке загрязненности атмосферы городов // Геоэкологические проблемы устойчивого развития городской среды. Воронеж: Квадрат, 1996. С. 190-192.

6. Козлов А. Т., Васильев А. А., Зайцев А.Ф., Гашо Е. Г. Эколого-экономические проблемы региона. Воронеж: Квадрат, 1996. 168 с.

7. Пастернак П. С., Ворон В. П., Мазепа В. Г. Влияние промышленного загрязнения атмосферы на лесные экосистемы и повышение их устойчивости. М.: ЦБНТИ Гослесхоза СССР, 1985. 35 с.

8. Григорьевская А. Я., Хриплякова В. Я., Быковская О. П. Современное состояние растительности геокомплексов г. Воронежа и ее эколого-индикационные свойства // Геоэкологические проблемы устойчивого развития городской среды. Воронеж: Квадрат, 1996. С. 223-226.

9. Пельтихина Р. И., Рубина А. М., Зурнаджи Т. Г. Оптимизация насаждений промплощадок Донбасса введением устойчивых цветочно-декоративных интродуцентов // Там же . С. 238-240.

10. Воздействие дымовых и газовых выбросов на леса в странах Западной Европы: Пер. с нем. // Лесное хозяйство за рубежом: Экспресс-информ. М.: ЦБНТИ Гослесхоза СССР. 1985. Вып. 7. С.17-19.

11. Масштабы повреждения лесов в ФРГ // Лесное хозяйство за рубежом: Экспресс-информ. М.: ЦБНТИ Гослесхоза СССР. 1985. Вып. 19. С. 16-17.

12. Десслер X. Г. и др. Влияние загрязнений воздуха на растительность. М.: Лесная пром-сть, 1981. 184 с.

13. Гудериан Р. Загрязнение воздушной среды. М.: Мир, 1979. 200 с.

14. Луговской А. М. Биомониторинг состояния атмосферного воздуха г. Воронежа // Геоэкологические проблемы устойчивого развития городской среды. Воронеж: Квадрат, 1996. С. 240.

15. Федорова А. И., Царева Р. П., Шунелько Е. В. Устойчивость тополей к выбросам автотранспорта в условиях экосистемы г. Воронежа // Там же. С. 226-227.

16. Агафонов В. А., Бутаков Г. П., Ильдерханов А. Г. Экологическая обстановка на территории г. Казани и в Приказанском регионе // Там же. С. 186-188.

И. А. Царев. Концентрация тяжелых металлов в снежном покрове..

171

Таблица 1

Содержание тяжелых металлов в пробах снега

Расстояние от Содержание тяжелых металлов, мг/л

источника железо марганец медь кадмий свинец цинк

загрязнения, м

1 2 3 4 5 6 7

Первый пункт отбора-579 км

5 3,976 0,0558 0,0116 0,0020 0.0516 0,0732

19 3,238 0,0740 0,0094 0,0014 0,0216 0,0466

24 7,448 0,0888 0,0078 0,0016 0,0312 0,0420

29 0,742 0,0118 0,0024 0,0022 0,0300 0,0420

Второй пункт отбора -580 км - пост ГАИ

5 6,448 0,1002 0,0120 0,0016 0,0308 0,0638

19 12,206 0,2948 0,0236 0.0026 0,0548 0,0842

24 6,070 0,1240 0,0216 0,0036 0,0934 0,0866

29 4,134 0,0762 0,0070 0,0022 0,0266 0,0452

Третий пункт отбора -581 км

5 1,684 0,0358 0,0052 0,0022 0,0314 0,0488

19 4,146 0,0524 0,0072 0,0020 0,0256 0,0550

24 2,134 0,0534 0,0116 0,0020 0,0242 0,0534

29 2,512 0,0384 0,0102 0,0030 0,0250 0,0374

Четвертый пункт отбора-582 км

5 2,414 0,0524 0,0298 0,0022 0,0380 0,0418

19 0,944 0,0336 0,0140 0,0024 0,0314 0,0420

24 7,824 0,1152 0,0218 0,0024 0,0400 0,0628

29 1,342 0,0258 0,0038 0,0020 0,0264 0,0460

Пятый пункт отбора

январь 1,814 0,0248 0,0068 0,0012 0,0072 0,0342

март 0,528 0,0224 0,0088 0,0010 0,0142 0,0552

Среднее по контролю

1,171 0,0236 0,0078 0,0011 0,0142 0,0552

Наличие в эталоне водопроводн. воды

0,012 0,010 0,010 0,0015 0,0000 0,0100

Таблица 2

Санитарное состояние древостоя

Расстояние от шоссе, м № кварталов Всего деревьев, шт/га В том числе, в %

здоровых поврежденных усыхающих усохших

50 32 520 54 35 5 6

100 32 1200 61 30 4 5

150 34 550 62 33 3 2

200 34 635 62 30 3 5

400 36 550 69 21 4 6