Оценка зависимости морфометрических показателей хвои сосны от концентрации тяжелых металлов

экология

УДК 551.588.74+662.633+551.4.03

ТУТЫГИН Геннадий Семенович, кандидат сельскохозяйственных наук, доцент, профессор кафедры лесных культур и ландшафтного строительства Архангельского государственного технического университета, заслуженный лесовод Российской Федерации. Автор более 100 научных публикаций

ТУТЫГИН Андрей Геннадьевич, кандидат физико-математических наук, доцент кафедры прикладной математики Поморского государственного университета имени М.В. Ломоносова. Автор 50 научных публикаций

ПОТАШЕВА Юлия Игоревна, кандидат сельскохозяйственных наук, ассистент кафедры геодезии и земельного кадастра Архангельского государственного технического университета. Автор 6 научных публикаций

ОЦЕНКА ЗАВИСИМОСТИ МОРФОМЕТРИЧЕСКИХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ХВОИ СОСНЫ ОТ КОНЦЕНТРАЦИИ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ

Предложена методика формирования агрегированного показателя содержания поллютантов в фитомассе, на основе которой получены модельные оценки морфометрических показателей двухлетней хвои сосны в зависимости от содержания в ней тяжелых металлов.

Автотранспортное загрязнение, сосна обыкновенная, морфометрические показатели хвои, содержание тяжелых металлов, методы экспертных оценок

Ассимиляционный аппарат сосны обыкновенной отличается высокой чувствительностью к техногенному загрязнению воздуха и во многом определяет рост и развитие других органов растения. Через него вместе с кислородом и углекислым газом поступает основная часть вредных веществ, к наиболее опасным из которых относятся тяжелые металлы.

Негативное влияние поллютантов проявляется в необратимых анатомических и морфологических изменениях ассимиляционных органов. Хвоя первого года жизни более устойчива к воздействию атмосферного загрязнения, чем двух- и трехлетняя [1].

Цель настоящих исследований - оценить зависимость морфометрических показателей двухлетней хвои сосны от концентрации в ней тяжелых металлов.

В качесте тест-объектов были использованы сосновые насаждения III и IV классов возраста, произрастающие в условиях автотранспортного загрязнения вблизи федеральной автомобильной дороги М-8 «Архангельск-Москва». В пределах Приморского и Виногра-довского районов Архангельской области исследованиями охвачены сосняки: лишайниковый, черничный, кустарничково-сфагновый, пушице-сфагновый.

Сбор образцов двухлетней хвои сосны проводили в вегетационный период 2006 года. Пункты сбора располагали по транссектам с противоположных сторон дорожной трассы на расстояниях 10, 50 и 100 м отностительно бровки полотна дороги. В качестве контрольного участка подбирали насаждения на расстоянии 300-350 м от дороги. Как показывают ранее проведенные исследования [2], загрязнение на таком расстоянии соответствует фоновому значению.

Возле каждого пункта с десяти хорошо развитых деревьев, имеющих близкие к среднему диаметры, при помощи секатора срезали по 3-5 ветвей первого порядка. При этом ветви отбирали из средней части кроны дерева со стороны, обращенной к источнику загрязнения. Срезанные ветви на месте расчленяли на годичные отрезки, упаковывали и доставляли в лабораторию для исследований.

Ряд изучаемых в ходе лабораторного анализа элементов включал такие тяжелые металлы, как свинец (РЬ), кадмий (Сё), цинк ^п) и медь (Си), наиболее присущие выбросам автотранспорта. Определение их содержания в хвое выполнено аккредитованной испытательной лабораторией почв, кормов, сельскохозяйственной и пищевой продукции ФГУ САС <Архангельская» с использованием атомно-абсорбционного спектрометра по стандартизованным методикам.

Линейные размеры хвои (длину, ширину, толщину) измеряли с точностью ±0,05 мм, при определении количества замеров исходили из 5-процентного уровня значимости. По средним значениям линейных параметров хвои вычисляли ее площадь по формуле Л.А. Иванова:

5 = 5.14 • а  (в/2 + б/4), где 51 - площадь, мм2; а, б,в — соответственно длина, ширина и толщина хвоинки, мм.

После замеров хвою сушили в сушильном шкафу при температуре +105С0 до постоянной массы и взвешивали на аналитических весах.

Модели оценки зависимости строили на основе агрегированного показателя содержания тяжелых металлов, полученного с использованием методики экспертных оценок [4]. Ниже приведена схема применения этой методики.

Переход от абсолютных показателей содержания тяжелых металлов к относительным осуществлялся по формуле:

' ’

где Х1 - содержание /-того металла в хвое, мг/кг; X? - соответствующее фоновое значение, мг/кг.

Агрегированный показатель содержания тяжелых металлов в хвое рассчитывался как средневзвешенное значение

л = £ р.

где ^ к. = 1.

Нахождение весовых коэффициентов осуществляли на основе попарного сравнения экспертами факторов влияния содержания тяжелых металлов, с точки зрения опасности для растительных организмов. При попарном сравнении использовали следующую шкалу балльных оценок (см. таблицу):

Оценки в 2, 4, 6 и 8 баллов используются как промежуточные в случаях, когда выбор из вышеприведенной шкалы для эксперта является затруднительным.

Привлеченные эксперты (специалисты в области экологии и лесного хозяйства) заполняли анкеты парных сравнений по критериям вышеприведенной шкалы. Например, если экспертом к придано умеренное превосходство влияния фактора / над фактором у, то в матрице парных сравнений Мк полагают т1} = 3, т}1 = 1/ 3.

Суть процедуры обработки экспертных матриц Мк заключается в их соответствующем

Баллы Сравнительная попарная вербальная оценка факторов

1 Одинаковое влияние

3 Умеренное превосходство

5 Существенное превосходство

7 Сильное превосходство

9 Абсолютное превосходство

экология

разложении Мк =  ик с целью определе-

ния векторов весов Жк = (wkn). Обработку экспертных матриц проводили с использованием соответствующей компьютерной программы «8аа1у». Одновременно с нахождением векторов весов рассчитывали показатели согласованности суждений каждого из экспертов. Когда эти показатели превышали установленные пределы (свыше 20% нарушений транзитивности в логических цепочках), соответствующие экспертные оценки подвергали повторному рассмотрению.

Полученные векторы весов далее были кластеризованы, при этом в качестве меры близости объектов использовали евклидову метрику

р(1¥-) = ]£(«•; - и,; )г ^

Компоненты агрегированного вектора весов Ж были рассчитаны как

Щ ^ ,

/

где и’7 - компоненты осредненного для /-того клас' _э/ тера вектора весов; <2/ — - доля вклада в общую

оценку частных оценок экспертов из соответствующего кластера (Э1 - количество экспертов в этом кластере, Э - общее количество опрошенных экспертов).

Отметим, что вместо евклдидовой метрики при кластеризации экспертных оценок вполне логично использовать также метрики махала-нобисского типа.

Далее в ходе исследований были построены регрессионные модели зависимости основных морфометрических показателей хвои сосны от рассчитанного на основе вышеприведенной методики агрегированного показателя содержания тяжелых металлов ^:

1) для длины хвои

Ь = 50.05• ехр(-0.247 • А);

2) для площади хвои Б = 132.6 • А~0'64;

3) для абсолютно сухой массы хвои

т = -0.57 • 1п А +1.32 -

Отметим, что все вышеперечисленные модели удовлетворяют стандартным критериям качества.

В хвое сосны, растущей в зоне распространения выбросов автомобильного транспорта, накапливаются тяжелые металлы: РЬ, Сё, Zn, Си. Под действием поллютантов происходят морфологические изменения ассимиляционных органов: на побегах формируется более короткая, с меньшей площадью поверхности и массой хвоя.

Анализ линейных параметров и площади хвои, сформировавшейся в сосняках под влиянием выбросов автомобильного транспорта, показал их уменьшение по сравнению с фоновыми значениями. Эта тенденция характерна для всех типов леса. На загрязненных поллю-тантами придорожных участках длина хвои оказалась в среднем на 13-18%, а общая площадь ее поверхности - на 15,1-24,5% меньше, чем на контрольных участках.

Одним из проявлений угнетающего действия автомобильных выбросов на сосну является изменение густоты охвоения побегов. Как показали результаты исследования, наблюдается тенденция увеличения плотности охвоения с повышением концентрации РЬ, Сё, Zn, Си в хвое. Объясняется это тем, что по мере приближения к источнику загрязнения происходит снижение линейных приростов побегов всех порядков ветвления, а плотность охвоения побегов обратно пропорционально увеличивается. Сходные результаты были получены и другими авторами [3,5].

Несмотря на увеличение плотности охвоения на загрязненных поллютантами участках, масса двухлетней хвои на побегах снижается с приближением к источнику выбросов. На расстоянии до 50 м от бровки дорожного полотна абсолютно сухая масса хвои в среднем на 18% меньше по сравнению с контрольной. Как показано выше, связь между массой хвои и содержанием в ней токсикантов отрицательна (г=-0,65) и описывается логарифмическим уравнением.

Отчетливо прослеживается наличие отрицательной связи между морфометрическими показателями и содержанием поллютантов на разном расстоянии от источника загрязнения. Эту зависимость в агрегированном виде опи-

сывают приведенные выше модельные уравнения. При этом отметим, что в ходе агрегации показателей содержания тяжелых металлов учитывается разная степень опасности загрязнителей для живых организмов.

Методика формирования агрегированного показателя и построенные на его основе модели могут быть использованы для получения прогнозной оценки реакции растительных организмов на увеличение выбросов автомобильного транспорта по следующему алгоритму:

1) увеличение содержания отдельных пол-лютантов X;

V

2) изменение относительных показателей Р;

3) изменение агрегированного показателя А\

4) прогнозные изменения морфометрических показателей на основе соответствующих модельных уравнений.

В заключение отметим, что данное исследование проводилось при интенсивности транспортного потока на трассе в пределах от 5600 до 8300 автомобилей в сутки. Для логического завершения данного исследования необходимо в дальнейшем получить формализованные оценки зависимости содержания поллютантов в фитомассе от увеличения интенсивности потока.

Список литературы

1. Бызова Н.М. К постановке проблем изучения трансформации хвои под действием атмосферного загрязнения II Экологические проблемы Севера: межвуз. сб. науч. тр. Архангельск, 1998. С. 73-77.

2. Гурьев Т.А. Оценка загрязненности придорожной полосы автомобильных дорог II Экологические проблемы Европейского Севера: сб. науч. тр. Екатеринбург, 2006. С. 90-91.

3. Тарханов С.Н. Хвойные насаждения в условиях атмосферного загрязнения II Лесное хозяйство. 2004. №3. С. 18-20.

4. Тутыгин А.Г. Возможности применения экспертных оценок в некоторых задачах охраны окружающей среды II Экономика и управление. 2003.№2(15). С. 37-41.

5. Ярмишко В. Т. Сосна обыкновенная и атмосферное загрязнение на Европейском Севере. СПб., 1997.

Tutygin Gennady, Tutygin Andrey, Potasheva Yulia

ESTIMATION OF DEPENDENCE OF MORPHOMETRIC INDEXES IN PINE TREE NEEDLES ON HEAVY METAL CONCENTRATION

The author presents a method of forming an aggregated index of pollutant content in the phytomass, on the basis of which model estimations of morphometric indexes in two-year pine tree needles are obtained in accordance with the heavy metal concentration.

Контактная информация: Тутыгин Геннадий Семенович, Тутыгин Андрей Геннадьевич

e-mail: andgt@pomorsu.ru; Поташева Юлия Игоревна e-mail: vestnik@pomorsu.ru;

Рецензент — Беляев В.В., доктор сельскохозяйственных наук, профессор кафедры географии и геоэкологии Поморского государственного университета имени М.В. Ломоносова