Некоторые особенности газопоглотительной способности деревьев в урбоэкосистеме г. Братска

Литература

1. Методы изучения лесных сообществ / Е.Н. Андреева [и др.]; НИИхимии, СПбГУ. - СПб., 2002. - 240 с.

2. Бугаева К.С. Типологическая структура лесов Погорельского Бора (Красноярская лесостепь) // Лесоведение. - 2009. - № 6. - С. 46-52.

3. Буторина Т.Н. Эколого-ценотический анализ кустарничково-травяного яруса лесных ассоциаций // Типы лесов Сибири. - М.: АН СССР, 1963. - С. з0-52.

4. Гордина Н.П., Гапонова Г.А. Особенности метода учета ресурсов папоротника // Известия. - 1982. -Вып. 3. - № 15. - С. 26-30.

5. Ершова Э.А. К биологии папоротника орляка в Средней Сибири // Известия. - 1977. - Вып. 1. - № 5. -С. 32-37.

6. Ершова Э.А. Роль папоротника-орляка в лесных и луговых фитоценозах Правобережья Енисея // Растительность Правобережья Енисея (южная часть Красноярского края). - Новосибирск: Наука, 1971. -С. 337-355.

7. Полевая геоботаника. - М., Л., 1976. - Т. 5. - 319 с.

8. Растительность Правобережья Енисея (южная часть Красноярского края) / под ред. А.В. Куминовой. -Новосибирск: Наука, 1971. - 377 с.

9 Сергеев Г.М. Островные лесостепи и подтайга Приенисейской Сибири / СО АН СССР. - Иркутск:

Вост.-сиб. кн. изд-во, 1971. - 320 с.

10. Типы лесов Сибири. - Новосибирск: Наука, 1969. - 231 с.

УДК 574.5; 572.1/.4 И.И. Гаврилин

НЕКОТОРЫЕ ОСОБЕННОСТИ ГАЗОПОГЛОТИТЕЛЬНОЙ СПОСОБНОСТИ ДЕРЕВЬЕВ

В УРБОЭКОСИСТЕМЕ г. БРАТСКА

В статье представлены результаты исследований реальной и потенциальной газопоглотительной способности различных видов растений в городе Братске. Выявлена адсорбция поверхностными тканями листьев древесных растений газообразных соединений фтора и серы вблизи алюминиевого завода. Установлено, что пылеосаждающая способность древостоев урбоэкосистемы Братска используется лишь частично.

Ключевые слова: деревья, газопоглотительная способность, урбоэкосистема, алюминиевый завод, аэротехногенное загрязнение, растительность, газоустойчивость.

I.I. Gavrilin SOME PECULIARITIES OF TREE GAS ABSORBENT ABILITY IN BRATSK CITY URBAN ECOSYSTEM

The research results of real and potential gas absorbent ability of various plant species in Bratsk city are given in the article. Adsorption of the woody plant leaf surface tissues of the gaseous fluorine and sulfur compounds near the aluminum plant is revealed. It is determined that dust deposition ability of the Bratsk urban ecosystem stands is partly used.

Key words: trees, absorbent ability, urban ecosystem, aluminum plant, air technogenic pollution, vegetation, gaseous stability.

Введение

Вопросы санитарно-гигиенической комфортности городской среды теснейшим образом связаны с га-зоустойчивостью древесных растений и их главной экологической функцией - выполнением роли «зеленого фильтра», позволяющей осуществлять аккумулирование поллютантов из воздуха и почвы. Комплексные исследования газоустойчивости, поглотительной и пылеадсорбирующей способностей древесных растений в их взаимосвязи и в условиях города не проводились [1].

Древесные растения являются не только важнейшими компонентами урбоэкосистем, но и осуществляют непрерывный газообмен с окружающим их воздухом. Тем самым они удовлетворяют свои потребности в биогенных газах и одновременно служат активным двигателем круговорота углекислоты, кислорода, водяного пара и тем самым стабилизируют химический состав атмосферы.

Листья растений имеют сложную геометрическую форму. Они обеспечивают регулирование газообмена через устьица и кутикулярные покровы. Если до последнего времени считали, что устьичный газообмен является основным, то в последнее время получен ряд данных, свидетельствующих о важной роли в этом процессе эпидермальных тканей [2].

На поверхности листьев адсорбируются из окружающего воздуха молекулы воды, фтористого водорода, окислы серы, азота, фосфора и другие газы. Этот процесс протекает самопроизвольно и в каждый момент направлен на установление концентрационного равновесия каждого из газообразных компонентов в воздухе и на поверхности листа. Поэтому непрерывно идут сорбция и десорбция газов листьями, следуя за изменением концентрации их в окружающем воздухе [3].

Воздухоочистная способность растений первоначально оценивалась по количеству накапливаемых ими токсических веществ к концу вегетационного периода. В дальнейшем выяснилось, что поглощаемые из воздуха вещества не просто фиксируются во внутренних тканях листьев, а мигрируют по растению, выделяются в воздух, почву, а также вымываются дождевой водой [4].

Адсорбированные на поверхности листа газы почти полностью удаляются водой, обмывающей ее в течение 3 мин. Отсюда следует вывод, что содержание в листьях веществ, загрязняющих атмосферный воздух, изменчиво и определяется в каждый конкретный момент соотношением интенсивностей поглощения и удаления их из листьев.

Исследования проводились в зеленых насаждениях г. Братска, находящихся под влиянием выбросов Братского алюминиевого завода (БрАЗ) и Братского лесопромышленного комплекса (БЛПК). Деревья на исследуемой территории наиболее подвержены воздействию диоксида серы и соединений фтора. К основным породам деревьев в урбоэкосистеме Братска относятся: сосна обыкновенная (Pinus silvestris L.), лиственница сибирская (Larix sibirica Ldb.), тополь бальзамический (Populus balsamifera L.), тополь лавролистный (Populus lavrifolia Ldb.), береза повислая (Betula pendula Roth.), береза пушистая (Betula pubescens Ehrh), осина (Populus tremula L.) и другие.

Главным фактором, определяющим степень повреждения древостоев промвыбросами, является удаленность их от источника загрязнения. Но в районе города Братска строгого соответствия степени повреждения от расстояния до источника промвыбросов нет. Причиной такого явления служит неравномерность распределения концентрации вредных веществ в воздухе, а также горный рельеф местности. Поэтому большая часть урбоэкосистемы Братска является ареалом прямого токсического воздействия выбросов. В связи с изменением направления преобладающих ветров площадь прямого токсического воздействия значительно расширяется [5].

Целью исследования является изучение реальной и потенциальной газопоглотительной способности различных видов растений в городе Братске, подверженных аэротехногенному загрязнению в районе, прилегающем к источникам загрязнения.

Объекты и методы исследований. В качестве объектов исследования были взяты основные лесообразующие и хозяйственно значимые породы в районе исследования, отличающиеся высокой чувствительностью к атмосферному загрязнению. Объекты исследования находились в санитарно-защитной зоне Братского алюминиевого завода, пробные площади располагались на расстоянии от 3 до 5 км от источника загрязнения и входили в одну зону - зону сильного загрязнения. Поэтому исследований изменения газопоглотительной способности в зависимости от удаления от источника выбросов не проводили.

Было проведено исследование по определению потенциальной и реальной газопоглотительной способности листьев. Для выявления зависимости реальной и потенциальной газопоглотительной способности древесной растительности использовались 7 видов деревьев. Потенциальная адсорбционная емкость листьев означает такое количество молекул вещества, которое удерживается на его поверхности в расчете на единицу абсолютно сухого веса и единицу площади. Листья брались из средней части кроны вблизи БрАЗа в десятикратной повторности. Каждый лист погружался на 5 мин в 0,3 М раствор фтористого натрия. Листья обсушивались фильтрованой бумагой и помещались на 3 мин в дистиллированную воду. Активность ионов фтора определялась в стандартном забуференном растворе потенциометрическим методом с помощью фтор-селективного электрода. Расчеты производились по калибровочному графику [6].

Реальная газопоглотительная способность растений определялась тем же методом у экспонированных в дымовом факеле Братского алюминиевого завода на расстоянии 3-5 км листьев в течение 15-20 мин

после предварительного удаления с них марлевым тампоном осевших пылевидных частиц. В связи с особенностью методики исследования проводились в летний период.

Результаты исследований и их обсуждение. Результаты исследования сведены в таблицы 1 и 2.

Таблица 1

Адсорбция поверхностными тканями листьев древесных растений газообразных соединение фтора

вблизи БрАЗа

Вид растений Потенциальная Реальная

г/кг г/м2 г/кг г/м2

Рориіиз Ьаізаті!ега 0,487 0,056 0,412 0,024

Рориіиз іаугіОііа 0,461 0,046 0,306 0,020

Рориіиз їгетиіа 0,418 0,038 0,295 0,200

Веїиіа репсіиіа 0,652 0,071 0,334 0,200

Веїиіа риЬезсепз 1,405 0,105 0,510 0,039

іагіх зіЬігіса 0,875 - 0,486 -

Ріпиз зу^еєігіз 0,362 - 0,265 -

Результаты проведенных исследований показали, что наибольшая потенциальная газопоглотительная способность древесных растений вблизи Братского алюминиевого завода наблюдалась у Betula pubescens, Lar^x яЫпса и Betula pendula. Показано также, что наибольшая реальная газопоглотительная способность выше у Betula pubescens; Lar^x sibirica и Populus balsam^fera. Данные представлены на рисунке 1.

Площадь листовых пластин для хвойных пород вычислялась эмпирически - с помощью формулы площади поверхности цилиндра с высотой, равной длине хвои, и серединным диаметром, равным ширине листовой пластины (хвоинке). При использовании автоматизированных средств расчета данное преобразование с высокой точностью позволило найти потенциальную газопоглотительную способность хвойных пород, отраженную в таблице 2 и на рисунке 2.

Таблица2

Потенциальная газопоглотительная способность древесных растений в зависимости от массы листьев на кг (фтора) / т абсолютно сухого веса листьев

Вид растения Масса листьев, т

1 2 3 4

Рориіиз Ьаізаті!ега 0,49 0,98 1,47 1,96

Рориіиз іavгifoіia 0,46 0,92 1,38 1,84

Рориіиз їгетиіа 0,42 0,84 1,26 1,68

Веїиіа репСиіа 0,65 1,30 1,95 2,6

Веїиіа риЬезсепз 1,40 2,80 4,20 5,60

іагіх зіЬігіса 0,88 1,76 2,64 3,52

Ріпиз зу^езігіз 0,36 0,72 1,08 1,54

Как следует из таблицы 2, газопоглотительная способность удельной массы листа (г/см2) увеличивается с возрастанием массы листьев неравномерно для различных пород деревьев. Полученные в ходе обработки данных уравнения регрессии составляют для таких пород, как:

Populus balsamifera - у = 0,49х;

Populus ^пМа - у = 0,46х;

Populus Ь-етШа - у = 0,42х;

ВеЮ1а pendula - у = 0,65х;

ВеЮ1а pubescens - у = 1,4х;

Lar^x ^Ыпса - у = 0,88х;

Рsylvestr^s - у = 0,373х,

где у - газопоглотительная способность (кг / т (а.с.м листьев)), х - масса листьев (т). При графическом выравнивании данных сумма ошибок лишь для газопоглотительной способности Pтus sylvestr^s оказалась

значимой, коэффициент аппроксимации R2 = 0,99, что также обеспечивает высокую точность графического сглаживания, в остальных случаях случайной ошибкой пренебрегли. Таким образом, прослеживается линейная зависимость между газопоглотительной способностью деревьев и количеством листьев, приходящихся на 1 т листьев. Полученные результаты представлены в таблице 2 и на рисунке 2.

Рис. 1. Адсорбция поверхностными тканями листьев древесных растений газообразных соединений

фтора вблизи БрАЗа

Как видно из рисунка 1, результаты определения потенциальной газопоглотительной способности древесных растений вблизи Братского алюминиевого завода свидетельствуют, что наибольшее газопогло-щение тканями листьев наблюдается у ВеЮ1а pubescens (1,405 г/кг), Lar^x sibirica (0,875 г/кг) и ВеЮ1а pendula (0,652 г/кг). Показано также, что наибольшая реальная газопоглотительная способность выше у ВеЮ1а pubescens (0,510 г/кг); Lar^x яЫпса (0,486 г/кг) и Рори^ balsam^fera (0,412 г/кг).

В

V©

о

у

о

в

2 н В ^ -й

в

о

£

Масса листьев, т

P. balsamifera P. lavrifolia P. tremula B. pendula B. pubescens L. sibirica Pinus sylvestris

Рис. 2. Потенциальная газопоглотительная способность древесных растений в зависимости от массы листьев на кг (фтора) /т абсолютно сухого веса листьев

Из таблицы 2 и рисунка 2 следует, что наибольшей газопоглотительной способностью удельной поверхности листа обладает ВеЮ1а pubescens, несколько меньшей Lar^x sibirica, ВеЮ1а pendula и Рори^ balsam^fera, Рори^ ^пМа, Рори^ ^ети1а, а также Pтus sylvestr^s имеют схожие газопоглотительные способности. Коэффициент регрессии в представленных выше уравнениях количественно отображает эффективность газопоглотительной способности. Таким образом, газопоглотительная способность у ВеЮ1а pubescens в 3 раза выше, чем у Рори^ balsam^fera и Рори^ ^пМа, у Lar^x s^b^r^ca в 2 раза и ВеЮ1а pendula примерно в 1,5 раза соответственно.

Кроме этого полученные данные свидетельствуют о том, что адсорбция фтора у всех испытанных видов близка по величине и составляет от 0,36 до 0,65 г/кг абсолютно сухого веса. Исключение составляют хвоя лиственницы, отличающаяся более развитой поверхностью, и листья березы пушистой, формирующие на своей поверхности опушение, что значительно увеличивает адсорбционную поверхность.

Сопоставление потенциального и максимально возможного поглощения газообразных фторидов в зоне интенсивного задымления, создаваемого дымовыми потоками, поступающими на территорию предприятия через фонари корпусов, показывает, что полученные величины близки, и растения находятся на пределе своих газопоглощающих возможностей. Если принять, что дымовой факел распространяется от предприятия в приземном слое воздуха и несет 120 кг газообразных фторидов [5], то одноразово их могут поглотить сосново-лиственничные древостои на площади в 100 га, при условии, что они несут 2 т листьев на 1 га, и осиново-березовые молодняки, несущие 1 т листьев на площади около 200 га. В случае температурной инверсии или штиля и насыщения поверхности листьев газообразными веществами для улавливания газов необходимы дополнительные лесные массивы. В этих случаях площадь тайги, способная поглотить из воздуха загрязняющие вещества, возрастает во столько же раз, во сколько увеличивается продолжительность пребывания дымового потока у земной поверхности. Для поглощения фторидов из воздуха, выбрасываемых предприятием в течение 1 ч, требуется 100 га леса, а для случаев температурной инверсии сосредоточения выбросов у земной поверхности в течение 5 ч - уже 600 га. Но в районе Братска бывают случаи многодневного распространения дымовых выбросов Братского алюминиевого завода, Братского лесопромышленного комплекса и предприятий теплоэнергетики вблизи земной поверхности. В таких условиях предельное единовременное поглощение газов листьями может быть осуществлено тайгой на площади многих тысяч гектаров.

Зеленые растения на территориях промышленных площадок и санитарно-защитных зон кроме декоративной выполняют важную санитарно-гигиеническую функцию, являясь зеленым фильтром. Поэтому при озеленении промышленных объектов следует учитывать устойчивость растений к фитотоксикантам и их газопоглотительную способность, т.е. способность накапливать в тканях фитотоксиканты, утилизировать или обезвреживать их. Чем больше газопоглотительная способность растений, тем эффективнее они выполняют функцию очистки воздуха от загрязнения. Уровень загрязнения среды снижается при создании зеленых насаждений в санитарно-защитных зонах [7].

Как следует из рисунка 1, с увеличением олиственности древостоев сокращается площадь леса, способная поглотить поступающие промышленные выбросы.

Поглощенные листьями газы постепенно десорбируются в окружающий их воздух и тем самым создают вторичное загрязнение. При вторичном загрязнении атмосферы концентрация газов не достигает токсической для человека и растений концентрации.

Воздухоочистная способность растений в значительной мере зависит от газового состава атмосферы. При наличии в воздухе нескольких газов, как в районе Братска, адсорбция каждого из них поверхностью листьев определяется парциальным давлением каждого из них. Поэтому указанные площади тайги для того, чтобы поглотить и обезвредить соединения фтора, сернистого газа и других ингредиентов должны быть увеличены в соответствующее количество раз.

Функционирование древесной растительности в условиях урбоэкосистемы, подверженной промышленному загрязнению, а также выполнение декоративной и санитарно-защитной функции могут эффективно осуществлять только растения, обладающие более высокой продуктивностью, большой поверхностью листьев и большим объемом газопоглощения и пылеосаждения. Однако накопление фитотоксикантов листьями растений в значительной степени зависит от видовой специфики и устойчивости. Поэтому для повышения устойчивости местных пород одним из основных методов является подбор ассортимента устойчивых растений. Также для снижения уровня загрязнения урбоэкосистемы Братска следует большое внимание уделять поиску перспективных газоустойчивых видов и созданию из них зеленых насаждений в санитарно-защитной зоне предприятий.

Выводы

На основании проведенных исследований можно сделать следующие выводы:

1. Изучена реальная и потенциальная поглотительная способность древесных растений г. Братска в экспериментальных условиях. Обнаружены существенные различия в поглощении загрязняющих веществ у различных видов растений в зависимости от массы листьев.

2. Выявлена адсорбция поверхностными тканями листьев древесных растений газообразных соединений фтора вблизи Братского алюминиевого завода.

3. Установлено, что адсорбция фтора у всех испытанных видов составляет 0,36-0,65 г/кг абсолютно сухого веса.

4. Изучено потенциальное и максимально возможное поглощение газообразных фторидов в зоне интенсивного задымления Братского алюминиевого завода. Показано, что растения находятся на пределе своих газопоглощающих способностей.

5. На основании экспериментальных данных установлено, что с увеличением олиственности древо-стоев сокращается площадь леса, способная поглотить поступающие промышленные выбросы.

6. Проведенные исследования показали, что растения выполняют важную гигиеническую функцию в урбоэкосистеме Братска, значительно снижая уровень загрязнения атмосферы.

Литература

1. Чернышенко О.В. Поглотительная способность и газоустойчивость древесных растений в условиях города. - М.: МГУЛ, 2002. - 120 с.

2. Николаевский В.С. Биологические основы газоустойчивости растений. - Новосибирск: Наука, 1979. -280 с.

3. Илькун Г.М. Газоустойчивость растений. - Киев: Наук. думка, 1971. - 146 с.

4. Гетко Н.В. Газопоглотительная способность листьев деревьев и кустарников // Растения и промыш-

ленная среда: сб. ст. - Киев: Наук. думка, 1968. - Вып. 1. - С. 112-115.

5. Рунова Е.М. Влияние техногенного загрязнения на леса Приангарья. - Братск: Изд-во БрИИ, 1999. -108 с.

6. Jacobson J.S., Heller L.I. Selective ion electrode analysis of fluoride in vegetation // Proc. of the Second Int.

Clean Air Congr. - New York; London, 1971. - P. 459-462.

7. Шапошников А.П., Бобохидзе Н.В. Роль зеленых насаждений в борьбе с промышленными выбросами // Тр. Новочеркас. инж.-мелиор. ин-та. - 1977. - № 3. - С.17-23.

---------♦-----------