CC BY
95
УДК 581.5 : 502.5(571.1)
Е. С. ДЕНИСОВА Е. В. АЛЕКСЕЕНКО
Омский государственный технический университет
Омский государственный педагогический университет
ГАЗОПОГЛОТИТЕЛЬНАЯ СПОСОБНОСТЬ
НЕКОТОРЫХ ДРЕВЕСНЫХ РАСТЕНИЙ ЗАПАДНОЙ СИБИРИ
Изучена аккумуляционная способность древесных растений, произрастающих на различном удалении от предприятия технического углерода, а также после экспозиции предельными и ароматическими углеводородами, нанесения техногенной сажи и растворов серной кислоты в различных концентрациях. Впервые проведена сравнительная характеристика растений по их способности аккумулировать сажу и поглощать углеводороды: метан, бензол, толуол и фенол в условиях Западной Сибири. Данные исследований могут применяться при озеленении санитарно-защитных зон предприятий. Ключевые слова: газопоглотительная способность растений, озеленение, загрязнение атмосферы, биоиндикация.
В условиях загрязненной атмосферы необходимо создавать насаждения, эффективно очищающие воздух от газообразных и аэрозольных примесей. В разных природных зонах каждому виду растений свойственна своя предельная доза накопления какого-либо загрязняющего вещества. Поэтому рекомендации по озеленению должны иметь точный экологический адрес [1 — 2].
Специфическими загрязнителями в г. Омске, имеющими максимальные выбросы, являются предельные и ароматические углеводороды, формальдегиды и сажа [3]. Наряду с обширным отечественным и зарубежным материалом о поглощении различных загрязнителей растениями, вопрос о поглощении ароматических углеводородов растениями освещен слабо, отсутствуют также сведения о характере влияния сажи на дендрофлору, хотя ее частицы субмикронного диапазона являются важной составной частью эмиссии промышленных источников.
Все это определило основную цель исследования: изучить способность растений аккумулировать сернистый газ, сажу, предельные и ароматические углеводороды в условиях загрязнения атмосферы выбросами ООО «Техуглерод» и после искусственной экспозиции.
Научная новизна работы. Впервые изучена аккумуляционная способность растений в условиях производства технического углерода. Впервые в условиях Западной Сибири проведена сравнительная характеристика растений по их способности к поглощению углеводородов: метана, бензола, толуола и фенола.
Практическое значение. Выявлен видовой состав древесных растений, перспективных для озеленения территорий нефтехимических предприятий и их санитарно-защитных зон. Эти данные вошли в рекомендации по озеленению территории предприятия ООО «Техуглерод» и научно-исследовательского института проблем переработки углеводородов (ИППУ) города Омска.
Материал и методы исследования. Объектами исследования являлись древесные растения, широко используемые для озеленения городов и промышленных районов Омской области: береза повислая — Betula pendula Roth., ива белая — Salix alba L., клен ясенелистный — Acer negundo L., сосна обыкновенная — Pinus sylvestris L., тополь черный — Populus nigra L., яблоня ягодная — Malus baccata (L.) Borkh. Дополнительно сажезадерживающая способность изучалась у 64-х видов деревьев и кустарников.
Полевые исследования проводились в течение вегетационного периода 2000 — 2007 гг. в посадках растений одного возраста (деревья 15 — 20 лет), расположенных на различном удалении от предприятия технического углерода. Все зоны размещены по вектору господствующих ветров. Для контроля взяты одно-возрастные растения, находящиеся вне зоны действия промышленных предприятий в 24 км от черты города Омска.
Экспозиция углеводородами проводилась с помощью герметичных полиэтиленовых камер объемом 10 л, время экспозиции 5 часов. В камеры вносились навески бензола, толуола, фенола в концентрациях 30, 60 и 120 мг/м3, а также вносилось по 5, 10 и 20 мг/м3 всех этих токсикантов суммарно. Результаты сравнивались с контрольной ветвью, находящейся в камере без токсикантов. В ноябре влияние углеводородов определялось также на взрослых соснах и молодых (20-сантиметровых) елях сибирских. Елочки накрывались стеклянными банками, в которые вносились навески ароматических углеводородов.
В экспериментах с искусственным опудриванием листьев применялась сажа, выпускаемая ООО «Техуглерод»; на 1 м2 листовой пластинки наносили 20, 40 и 60 г сажи. Через 24 и 72 часа определяли оставшуюся к моменту срезания сажу в процентах от нанесенной массы.
Поскольку сернистый газ в клетках превращается в сульфат и искусственное опрыскивание слабым
раствором серной кислоты в виде аэрозоля вызывает нарушения по признакам, идентичным тем, которые образуются от соответствующего газа [2, 4], нами были проведены эксперименты с опрыскиванием растений 0,25 %, 0,5 % и 1,0 % растворами серной кислоты. Контрольную ветвь опрыскивали дистиллированной водой.
Количество пыли, задерживаемой кронами деревьев, выявлялось по разнице между количеством пыли под пологом древостоя и на открытом месте. Для этого под кронами исследуемых видов деревьев и на открытом месте с наветренной стороны устанавливались предварительно наполненные вазелином чашки Петри. Суммарную оценку сажезадерживающей способности растения проводили на основании данных учета осевших твердых частиц на листьях деревьев и на земную поверхность под ними, за вычетом количества пыли, осевшей на открытых участках под действием силы тяжести.
Содержание фенольных соединений в листьях определяли по методу Левенталя [5], содержание серы — хроматойодометрическим методом после сжигания навески [5]. Пылезадерживающую способность растений определяли смыванием пыли на фильтр «синяя лента» и взвешиванием после высушивания [2].
Во всех газодинамических зонах были проведены анализы почв и атмосферного воздуха.
Результаты и их обсуждение. Зоны сильной загазованности (территория и санитарно-защитная зона предприятия) характеризуются примерно одинаковым уровнем загрязнения, а в зоне, расположенной на расстоянии 2 км от ООО «Техуглерод», уровень загрязнения в 1,5 — 4 раза ниже. Средние концентрации фенола в первых двух зонах составляли в среднем за 2005-2008 гг. 1,3 ПДК, бензола — 1,6 ПДК, толуола— 1,3 ПДК, нафталина — 1,4 ПДК; по N0^ СО, Н25 и предельным углеводородам превышения ПДК носили разовый характер и средние концентрации за изучаемый период наблюдались примерно в пределах ПДК, остальным ингредиентам — Я02, этилбензолу, мета- и параксилолу превышений ПДК было не отмечено.
Участки исследования характеризуются сходным агрохимическим и механическим составом. Относятся к среднегумусным, рН близка к нейтральной, на территории завода обнаружили щелочную реакцию почв, что представляется закономерным: верхний слой почв этих зон сильно загрязнен техническим углеродом. Щелочность почв связана с содержанием в них гидрокарбонат-ионов, а нормальных карбонатов, характерных для содовых солонцов, обнаружено очень мало. Обеспеченность почв нитратным азотом средняя, обменным кальцием — высо-
кая. На всех опытных участках в почвах содержится незначительное количество сульфатов и обнаружены лишь следы хлоридов.
Сероаккумулирующая. способность растений. Содержание серы вблизи источников загрязнения у растений увеличивается от июня к августу, что связано с постепенным накоплением серы в течение вегетационного периода. Высокой поглощающей способностью обладают тополь черный, яблоня ягодная (130 — 330 % от контроля, р<0,001) и ива белая (110-200 %, р<0,05 —<0,001). У ивы и вне задымления содержится в листьях больше серы, чем у остальных видов (0,36 % от воздушно-сухого веса). Низкая интенсивность поглощения серы в наших исследованиях оказалась у клена ясенелистного (в загрязненных зонах до 133 % от контроля) и березы повислой (максимум 144 % к контролю).
Результаты сравнительного анализа эффективности растений в поглощении серы после обработки кислотой оказались противоположными тем, что были получены в полевых исследованиях. Оказалось, что при высоких концентрациях наилучшими серо-поглощающими свойствами обладают клен ясене-листный, береза бородавчатая и яблоня ягодная, наименее эффективны тополь и яблоня. У березы и ивы нет четкой зависимости между дозой и эффектом. У всех исследуемых растений, за исключением сосны, сера после обработки поглощалась больше в июле, чем в августе. Что объясняется старением листьев, снижением физиологической активности растений в августе.
Накопление фенольных соединений. У большинства растений в листьях больше фенолов во второй зоне, чем в первой. Видимо, это связано с тем, что из-за высоты дымовых труб выбрасываемые загрязнители оседают на некотором расстоянии от источника. Высокую фенолаккумулирующую способность имеют береза и клен (содержание фенолов увеличивается до 108—155 % в сравнении с контрольной зоной) (рис. 1). Разница между контрольными и опытными растениями достоверна при р<0,001 уже третьей зоне. Увеличение концентрации фенолов в листьях яблони составило от 111 до 150 % (разница достоверна при р<0,001 во всех случаях, кроме зоны средней загазованности в июне), а в листьях ивы и тополя очень незначительно (101 — 119 %). Следует отметить, что количество фенолов увеличивается у тополя в зоне средней загазованности до 116—118 % (р<0,001) и в дальнейшем, с увеличением загазованности места произрастания, практически не изменяется. У всех изучаемых растений количество фенолов в листьях увеличивается от июня к августу, менее выражено это у растений, произрастающих в фоновой зоне.
мг/г
Рис. 1. Содержание фенольных соединений в листьях растений газодинамических зон в июне (средняя за 2000—2003 гг.), мг/г
Таблица 1
Содержание фенольных соединений в листьях растений после экспозиции углеводородами в июне 2003, мг/г
Вид Конц-я, мг/м3 Контроль Экспозиция метаном Экспозиция бензолом Экспозиция толуолом Экспозиция фенолом
Береза повислая 30 10,19 10,45 18,10*** 12,27*** 10,61*
60 10,19 11,39*** 15,60*** 13,54*** 10,78*
120 10,19 12,35*** 16,60*** 14,16*** 12,06***
Ива белая 30. 12,06 12,25 19,93*** 18,14*** 12,27
60 12,06 13,21*** 22,46*** 20,56*** 14,56**
120 12,06 14,06*** 22,88*** 21,13*** 15,13**
Клен ясенелистный 30 22,05 23,25* 36,61*** 22,46 23,00*
60 22,05 24,00** 26,21*** 23,00* 25,00**
120 22,05 26,00*** 30,57*** 24,00** 25,00**
Сосна обыкновенная 30 5,72 6,00* 6,97*** 8,01*** 8,01***
60 5,72 6,55** 8,01*** 6,97*** 6,77***
120 5,72 7,69*** 9,05*** 7,00*** 6,77***
Тополь черный 30 20,94 21,00 20,97 23,30** 23,65**
60 20,94 23,00** 23,45** 31,06*** 28,29***
120 20,94 23,79** 26,13*** 33,77*** 30,93***
Яблоня ягодная 30 9,98 10,69* 10,52* 13,00*** 10,44*
60 9,98 11,26** 11,66** 13,42*** 11,25***
120 9,98 12,96*** 12,03*** 14,42*** 11,25***
Примечание: достоверность различий с контрольными показателями: * — р<0,05; ** — р<0,01; *** — р<0,001
Предварительные эксперименты с различными концентрациями углеводородов показали, что концентрации ниже 30 мг/м3 существенных изменений в физиологии растений не оказывают, вследствие чего они в работе не обсуждаются. Концентрация газа, приводящая к появлению видимых повреждений листьев растений, принята нами за конечную. Экспозиция растений более высокими концентрациями представляется нецелесообразной, поскольку в реальных условиях загазованность такими концентрациями не встречается. Поскольку суммарный эффект превышает аддитивный, при одновременной фумигации бензолом, толуолом и фенолом взяты несколько более низкие концентрации.
Результаты фумигации, проведенные в июне и в июле, выявили способность исследуемых растений в больших количествах поглощать ароматические углеводороды из воздуха (р<0,001) (табл. 1). В августе количество фенолов в опытных листьях было ниже, чем в начале вегетационного периода, но видовые закономерности в способности к аккумуляции экзогенных углеводородов, в общем, остались теми же. Общее содержание фенольных соединений в листьях березы после экспозиции бензолом увеличивается до 178 % от контрольных, после экспозиции суммарно бензолом, толуолом и фенолом до 230 %. У остальных видов растений увеличение составляет 105— 190 % от контроля. По степени убывания уровня накопления фенолов в листьях после экспозиции исследуемые растения можно расположить в ряд: береза и ива (в среднем 142 %) > сосна (в среднем 128 %) > тополь и яблоня (в среднем 120 %) > клен (в среднем 115 %). У исследуемых растений не обнаружено четкой зависимости между концентрацией токсиканта и количеством фенолов в листьях, в некоторых случаях больше углеводородов поглощается при низкой концентрации, чем при более высокой.
Среди всех использованных для экспозиции углеводородов лучше всего растениями усваивается бензол, затем — сумма бензола, толуола и фенола, намного меньше других улавливается метан.
Для уточнения данных в ноябре нами дополнительно было проведено фумигирование углеводородами сосны обыкновенной и 20-сантиметровой молодой ели сибирской. Как выяснилось, хотя фенолакку-мулирующая способность у сосны зимой ниже, чем в летний период, тем не менее она способна к активному поглощению экзогенных углеводородов: в среднем фенолов в иглах после зимней экспозиции у нее содержится 114 % к контрольным иглам. В листьях молодых елей в норме небольшое количество фенолов, которое достоверно увеличивается после экспозиции в среднем на 108 % к контролю. Относительно небольшое поглощение углеводородов хвойными в зимний период является закономерным в связи с уменьшением у них физиологической активности в это время года. Тем не менее они представляют собой особую ценность, так как улавливают фенолы весь год, включая сезоны, когда лиственные породы неэффективны. Как известно из литературных источников, хвойные также способны поглощать серосодержащие газообразные токсиканты при температуре до — 6 °С, пыль же — круглый год [2, 4].
Улавливание техногенной сажи. Листья растений на территории источника густо покрыты сажей, особенно сильно у тополя черного и ивы белой. Количество осевшей на листьях растений пыли закономерно убывает с увеличением расстояния от источника выбросов (рис. 2). В приземном слое воздуха на пром-площадке завода загрязнение пылью происходит главным образом от неорганизованных выбросов. Последние при перемещении их ветром активно задерживаются зелеными насаждениями санитарно-защитных зон. Результаты исследования показали
к
и 8-'
я
к н !■'
(Я ч 6-'
с 5-
о ш 4-'
о н
о
к ч 2-'
1-'
о-к
п
бе реза
яблоня
□ Контрольная зона
□ 0,5 км от источника
□ 2 км от источника
□ территория источника
Рис. 2. Суммарная оценка пылезадерживающей способности растений (средняя за вегетационный период 2001—2004 гг.), г/м2 листовой пластинки
бесспорно наиболее высокую пылеулавливающую эффективность тополя черного, что связывается нами с липкой листовой поверхностью этого вида. На листьях тополя на территории источника содержалось пыли в 4 раза больше, чем у березы повислой и яблони ягодной; в 2,2 раза больше, чем у клена ясене-листного и в 1,3 раза больше, чем у ивы. Количество осевшей на листьях пыли у растений в третьей зоне увеличивается в сравнении с контрольной зоной в 5-8 раз, на расстоянии 0,5 км от предприятия — в20-78 раз и на территории источника—в 40-132 раза (р < 0,001).
Несколько иная картина обнаружена при исследовании количества пыли, осевшей под пологом древо-стоев. Наибольшее количество пыли (на расстоянии 0,5 км от источника — 0,95- 1,22 г/м3, на территории источника — 2,03-2,07 г/м3) обнаружено под кронами березы и ивы, наименьшее (в зоне 2 — 0,76-0,86 г/м3, в зоне 1 — 1,05-1,13 г/м3) — под кроной тополя. И это понятно, так как пыль легче сдувается ветром и опадает при колебании гладких листьев, таких как у березы и ивы, чем липких (листья тополя), на которых задерживается более прочно. Листья клена имеют более сложную форму, характеризующуюся высоким значением отношения длины границы листа к его площади, что также способствует более длительному задержанию на них пыли. Под кронами деревьев в загрязненных зонах задерживалось в среднем в 20 раз больше пыли, чем на открытом пространстве. Количество пыли, оседаемое на открытых участках, также значительно увеличивается с приближением к источнику воздействия. Так в контрольной зоне на открытом участке обнаружено 0,0055±0,0009 г пыли/м2, на территории источника — 0,096±0,005 г/м2.
Результаты суммарной оценки пылеулавливающей способности растений показали следующее: тополь черный уловил в 1,8 раза больше технического углерода, чем береза и клен; в 2,6 раза больше, чем яблоня ягодная, и всего в 1,1 раза — чем ива. Коэффициенты вариации суммарной оценки пылеулавливающей способности колеблются в пределах 10-35 %, все значения достоверно различны с фоновыми показателями (р<0,001). Увеличения количества пыли на листьях растений к концу вегетационного периода, как в исследованиях других исследователей, нами отмечено не было. Мы связываем это с периодическим смывом пыли дождями. В 2000 г., наименее дождливом, в среднем на листьях обнаружено в 1,3 раза больше пыли, чем в последующих годах, которые характеризовались продолжительными летними осадками.
Дисперсионный анализ показал, что количество обнаруженного техуглерода на листьях растений
после эксперимента на 99-100 % вызвано искусственным нанесением (р<0,001). Визуальные наблюдения во время искусственного опудривания техническим углеродом показали довольно высокую его прилипа-емость, через 24 часа после обработки верхние части листьев становятся чище, а сажа концентрируется у основания, на трубочке и на язычке листа. Листья растений после опудривания улавливали от 2 до 27 % наносимого на них техуглерода. Причем с увеличением массы наносимой сажи этот процент снижался, что говорит об ограниченной способности растений задерживать сажу.
Как и в полевых исследованиях, в эксперименте наиболее высокой способностью аккумулировать техуглерод обладает тополь. Им седиментируется в 4 раза больше сажи, чем березой и яблоней, и примерно в 1,5 раза больше, чем кленом, ивой и сосной. Наблюдалась и более высокая, по сравнению с другими видами, способность тополя улавливать сажу с увеличением дозы. Также через 72 часа у этого вида на листьях сдувалось меньше сажи относительно 24 часов, чем у остальных растений. Так, например, у березы и яблони через двое суток оставалось примерно в 2 раза меньше техуглерода, чем было через сутки после нанесения, у ивы — меньше в 1,3 раза, у тополя и сосны оставалось примерно то же количество. Липкая поверхность листовых пластинок тополя черного и игл сосны обыкновенной хорошо задерживает сажу.
Для оценки эффективности улавливания технического углерода растениями, дополнительно было опудрено 64 вида растений. Наиболее эффективными оказались черемуха Маака (уловлено 61,3 г/м2 листа), вишня войлочная (20,0 г/м2), липа мелколистная (9,0 г/м2), орех маньчжурский (7,1 г/м2), черемуха птичья (7,0 г/м2), акантопанакс сидячецветковый (6,9 г/м2), хмель обыкновенный (6,6 г/м2), скумпия или желтинник (6,0 г/м2), кизильник черноплодный (5,7 г/м2), спирея трехлопастная (5,3 г/м2), клен татарский (5,3 г/м2), клен платанолистный (5,7 г/м2), вяз полевой (5,6 г/м2), ива пятитычинковая (5,6 г/м2), виноград девичий пятилисточковый (5,5 г/м2), крыжовник иглистый (5,4 г/м2), дуб черешчатый (5,3 г/м2), боярышник даурский (5,1 г/м2), робиния лжеакация (5,1 г/м2), роза морщинистая (5,0 г/м2), калина Сар-жента (4,7 г/м2), вяз гладкий (4,6 г/м2), ясень ланцето-листный (4,4 г/м2), жимолость татарская (4,4 г/м2), солодка уральская (4,3 г/м2). Как правило, более шероховатые поверхности листьев (с волосками и прожилками) обладали более высокой эффективностью задержания сажи. Шероховатая поверхность влияет на уменьшение стабильности пограничного слоя (области
замедления потока воздуха), окружающего лист, и таким образом увеличивает время контакта частицы с поверхностью листа растения.
Заключение. Таким образом, анализ полученных данных подтверждает видовые отличия растений. Наиболее интенсивной серопоглощающей способностью среди изученных видов обладает тополь, самой низкой — клен и береза (почти в 2 раза меньше, чем у тополя, яблони и ивы). После действия серной кислоты больше серы уловили клен, береза и яблоня.
Высокая фенолаккумулирующая способность в полевых условиях обнаружена у березы, клена и яблони (примерно в 1,3 раза больше, чем у остальных видов). После экспозиции береза и ива поглощают в среднем в 1,2 раза больше фенолов, чем клен, остальные растения занимают промежуточное положение. Сосна обыкновенная в ноябре аккумулирует меньше углеводородов, чем в летний период. Тем не менее этот вид, так же как и молодая ель сибирская, способен к активному зимнему поглощению фенолов. Предельные углеводороды значительно слабее поглощаются растениями, чем ароматические.
Результаты суммарной оценки пылеулавливающей способности растений (на листьях и под кронами на земной поверхности) показали, что тополь уловил пыли больше в 1,5 — 3 раза, чем остальные изученные виды. В эксперименте тополь черный седиментировал в 4 раза больше сажи, чем береза и яблоня, и примерно в 1,5 раза больше, чем клен, ива и сосна, с течением же времени с его листьев меньше сдувается сажи, чем у других видов. Высокой сажеаккумулирующей способностью также обладают черемуха Маака,
вишня войлочная, липа мелколистная, орех маньчжурский, черемуха птичья, акантопанакс сидячецвет-ковый, хмель обыкновенный, скумпия.
Библиографический список
1. Фролов, А. К. Окружающая среда крупного города и жизнь растений в нем [Текст] / А. К. Фролов. — СПб. : Наука, 1998. — 328 с.
2. Сергейчик, С. А. Растения и экология [Текст] / С. А. Сер-гейчик. — Минск : Ураджай, 1997. — 224 с.
3. О состоянии и об охране окружающей среды Омской области в 2008 году [Текст] / М-во сельского хозяйства и продовольствия Омской области. - Омск : ООО «АРТЛИК», 2009. - 200 с.
4. Air pollution and plant life / Ed. J.N. Bell, M. Treshow. N.Y. : Wiley, 2002. - 465 p.
5. Федорова, А. И. Практикум по экологии и охране окружающей среды [Текст] / А. И. Федорова, А. Н. Никольская. — М. : Владос, 2003. - 286 с.
ДЕНИСОВА Елена Сергеевна, кандидат биологических наук, доцент кафедры физической химии Омского государственного технического университета. АЛЕКСЕЕНКО Елена Вячеславовна, кандидат биологических наук, доцент кафедры социально-экономической географии и туризма Омского государственного педагогического университета. Адрес для переписки: e-mail: [email protected], [email protected]
Статья поступила в редакцию 11.06.2010 г. © Е. С. Денисова, Е. В. Алексеенко
УДК 581.5 : 502 (571.13)
Е. В. АЛЕКСЕЕНКО Е. С. ДЕНИСОВА
Омский государственный педагогический университет
Омский государственный технический университет
СОСТОЯНИЕ
ДРЕВЕСНЫХ НАСАЖДЕНИЙ ПАРКОВ г. ОМСКА В УСЛОВИЯХ РЕКРЕАЦИОННОЙ НАГРУЗКИ
В статье изложены результаты исследования городских зеленых насаждений в парках г. Омска. Выявлены причины их ослабления и угнетения. Предлагаются меры по повышению экологической устойчивости городских зеленых насаждений.
Ключевые слова: парк, рекреационная нагрузка, устойчивость ландшафтов, угнетение растений, парковые фитоценозы.
Исследования последних лет показали, что рекреация, представляющая собой комплексный, экзогенный по отношению к биогеоценозу фактор, вызывает множественные и, как правило, отрицательные последствия для целостности и устойчивости сообщества. Изменения, вызванные рекреационным воздействием, затрагивают практически все компоненты
биогеоценоза, как непосредственно, так и опосредованно, через изменения отдельных его элементов [1].
Ослабление роста и преждевременное усыхание деревьев в городских зеленых насаждениях различных городов отмечалось многими исследователями [2 — 7]. Задачей настоящего лесопатологического обследования явилась оценка состояния древесных
