CC BY
82
УДК 630* 907.1 С.А. Чжан, Е.М. Рунова, О.А. Пузанова
ПРОГНОЗИРОВАНИЕ СОСТОЯНИЯ ЛЕСНЫХ ФИТОЦЕНОЗОВ В СВЯЗИ С МОДЕРНИЗАЦИЕЙ ПРОИЗВОДСТВА БРАТСКОГО АЛЮМИНИЕВОГО ЗАВОДА
В статье приводится прогноз состояния основных компонентов лесных фитоценозов в связи с предполагаемым снижением аэротехногенного загрязнения при модернизации производства Братского алюминиевого завода.
Прогноз повреждения растительности в связи с интенсивным развитием промышленности является актуальной и весьма сложной задачей в проблеме охраны окружающей среды.
Прилегающие к промплощадке Братского алюминиевого завода (БраЗа) территории с запада, юга и востока в основном покрыты лесами.
Негативные эффекты влияния промышленных выбросов на растительность возникают как в результате прямого воздействия загрязняющих веществ, как и косвенным путем, при накоплении загрязняющих веществ в почве.
К числу целенаправленных (управляемых) воздействий относится комплекс мероприятий, сочетающий в себе как меры воздействия промышленных предприятий, направленные на снижение вредных выбросов, так и лесохозяйственные мероприятия, направленные на увеличение продуктивности лесов, улучшение их санитарного состояния и способствующие усилению защитных свойств насаждений.
Основным типом воздействия на окружающую среду в районе расположения завода являются выбросы загрязняющих веществ.
Наиболее токсичным компонентом выбросов алюминиевых заводов для растений являются газообразные фторсодержащие соединения и, в частности, фтористый водород. Его токсичность превосходит другие газообразные кислотные соединения, например, хлор и диоксид серы.
Уровень загрязнения атмосферы фторидами газообразными после модернизации производства снизится до 0,9ПДК на границе санитарно-защитной зоны (СЗЗ). Таким образом, следует принять во внимание, что ухудшение состояния лесов не произойдет, концентрации загрязняющих веществ в основном не будут превышать санитарных норм.
Технологические и природоохранные мероприятия, заложенные в проекте модернизации, позволяют снизить валовый выброс загрязняющих веществ в атмосферу на 30318,3т/год, или ~32%, что приведет к уменьшению повреждений растительности. На рисунках 1-8 представлено снижение уровня загрязняющих веществ в долях от ПДК.
Таким образом, можно предположить, что воздействие на растительный и животный мир после реализации проекта модернизации снизится по сравнению с существующим уровнем. Исключением является диоксид серы, концентрация которого после модернизации существенно увеличится, но не превысит уровня ПДК, при этом уже в городской черте уровень содержания диоксида серы снижается до 0,4 ПДК, поэтому можно сделать вывод, что существенного негативного воздействия на растительность и животный мир при увеличении выбросов серы не произойдет. Концентрация всех остальных агрессивных загрязнителей: фтористый водород, плохо растворимые фториды, неорганическая пыль, бенз/а/пирен, после модернизации завода существенно снизится.
Исследования по изучению механизмов поглощения диоксида серы позволили установить, что в растениях они не только накапливаются в листьях и хвое, но и подвергаются транслокации по органам, а также удаляются в почву и корни. Содержание серы в листьях снижается уже через сутки после газирования на
15...37%. Атмосферные осадки вымывают и смывают с листьев от 9 до 40% адсорбированной и поглощенной серы. Транслокация сульфатов по растению интенсивнее у устойчивых видов (до 68% за 24 часа), чем у неустойчивых (до 27%).
концетрация диоксида серы в настоящее время
концентрация диоксида серы в 2016 году
Рис. 1. Концентрация диоксида серы до и после модернизации завода
-концентрация газообразных фторидов в настоящее время
концентрация газообразных фторидов в 2016 году
Рис. 2. Концентрация газообразных фторидов до и после модернизации завода
с
К
Ц
О
с!
К
ГО
X
_0
го
о
го
0,45
0,4
0,35
0,3
0,25
0,2
0,15
0,1
0,05
-О/ -О/ -О/ -О/ -О/ -О/ -О/ -О/ -О/ ^ ^
СО СО со СО СО СО СО со со <* <*
р о о о о о о р р > >
/— /— /— /— /— /— /— /— /— о о
АГ АГ
•концентрация
плохо
растворимых
фторидов
существующая
концентрация
плохо
растворимых фторидов в 2016 году
Рис. 3. Концентрация плохо растворимых фторидов до и после модернизации завода
0
0,14
|=Г « 0,12 ц
§ 0,1
тс
го
ф
I
о
0,08
0,06
0,04
ДУ ДУ ДУ ДУ ДУ ДУ ДУ ДУ ДУ р р р р р р р р р > >
/— /— /— /— /— /— /— /— /— п о
£г АГ
концентрация
смолистых
веществ
существующая
концентрация смолистых веществ в 2016 году
Рис. 4. Концентрация смолистых веществ до и после модернизации завода
0
и:
ц,
о
с!
ГО
• ^ С1 т
и:
го
х
_0
го
о
го
0,7
0,6
0,5
0,4
0,3
0,2
0,1
0
д пыли неорганической существующая
. /\
\ \
> \
пыли неорганической в 2016 году
1=1
<г <г <Г <Г <* <* <* <* <* ^ ^
ЛТ .пт .ПТ .ПТ .ПТ .пт .пт .пт .пт ^ ^
р р р р р р р р р > >
А~ А~ А~ А- А- А- А- А- А- о О
АГ /С
Рис. 5. Концентрация пыли неорганической до и после модернизации завода
СГ
с
о:
с;
о
го
концентрация диоксида серы и газообразных фторидов существующая
концентрация диоксида серы и газообразных фторидов в 2016 году
Рис. 6. Концентрация диоксида серы и газообразных фторидов до и после модернизации завода
концентрация оксида углерода с учетом фона существующая
концентрация оксида углерода без фона существующая
концентрация оксида углерода с учетом фона в 2016 году
концентрация оксида углерода без фона в 2016 году
Рис. 7. Концентрация оксида углерода до и после модернизации завода
СТ
с
о:
с;
о
го
8
7
6
5
4
3
2
1
0
* д
X— X-
\ <Ъ /Ь Ы <э „<о Л „% 3
^ ^ ^ ^ ^ ^
^ ^ ^ ^ ^ ^ ^ ^ ^ чй, ' чй
>г ->г ^>г ->г ->г ,>г _оу- _оу- дЗ>- дЗ>-
лу лу лу лу лу лу лу лу
ку лу
-♦— концентрация бензапирена с учетом фона существующая
Ш— концентрация бензапирена без учета фона существующая
-Д— концентрация бензапирена с учетом фона в 2016 году
■X— концентрация бензапирена без учета фона в 2016 году
Рис. 8. Концентрация бензапирена до и после модернизации завода
Большая часть диоксида серы проникает в листья через устьица, особенно, если поверхность растения сухая. Поэтому от особенностей анатомического строения листа и степени открытия устьиц зависит скорость поглощения диоксида серы. Если поверхность растения влажная, то газовая смесь растворяется на поверхности растения.
Растения могут усваивать и вовлекать в метаболизм веществ двуокись серы, окислы азота, аммиак, ассимилируя их листьями подобно углекислому газу. В условиях повышенного содержания в атмосфере этих газов в тканях происходит значительное увеличение содержания азота и серы.
Поглотительная способность растений зависит в некоторой мере от естественного, свойственного каждому виду, содержания макро- и микроэлементов, а также уровня содержания их в почве.
При недостатке серы в почве растения могут использовать для метаболических процессов поглощаемый из воздуха SO2. Максимально выраженной емкостью накопления двуокиси серы обладают виды, интенсивно поглощающие серу из почвы. Количество поглощенной SO2 можно определять на основе общего содержания серы или водорастворимой серы в листьях. Повышение концентрации SO2 с 4 до 6,4 мг/м3 приводило к увеличению общего содержания серы, но не вызывало увеличения содержания органической серы.
Содержание серы в органах растений можно использовать только в качестве индикатора активности поглощения SO2, но не критерия последствия, вызываемого загрязнением.
Для ряда древесных пород установлены пороговые концентрации накопления в листьях и хвое серы и других полютантов. Поглотительная способность насаждений зависит от состава пород, полноты, бонитета, возраста, ассимиляционной поверхности крон деревьев, длительности вегетации. Наибольшей поглотительной способностью обладают древесные растения. За ними, по мере снижения поглотительной способности, идут местные сорные травы, цветочные растения и газонные травы.
В фитоценозах газы поглощают не только растительность, но и почва, вода, подстилка, поверхность стволов и ветвей деревьев и другие элементы. В зоне сильного воздействия SO2 существует четкая зависимость между подкислением коры и пространственным распределением концентраций SO2. Кора является чувствительным индикатором загрязнения воздуха, особенно шершавая и пористая, которая легче абсорбирует газовые и пылевые загрязнения воздуха. Наиболее чувствительной на химическое загрязнение и изменения в среде является кора лиственных деревьев.
Роль отдельных компонентов экосистемы в поглощении поллютантов можно определить только экспериментально после разового воздействия их. В природной обстановке распределение поллютанта зависит от характера загрязнения воздуха и процессов транслокации ингредиента в экосистеме как под влиянием биологических процессов, так и экологических условий. Вероятно, поэтому при разовых воздействиях газов в экспериментальных условиях роль растительности в поглощении газов достигала 60...90%, а почвы
10...50%. При анализе роли отдельных элементов экосистем в связывании SO2 в природной обстановке оказалось, что лес связывает 0,35% газа, а почва - до 99,7%.
На поглощение поллютанта растениями и отдельными элементами экосистем влияют экологические факторы. В оптимальных для фотосинтеза условиях (повышенная освещенность и влажность воздуха, температура +25...30о С) лучше выражено и поглощение вредных газов растениями. В неблагоприятных для фотосинтеза условиях снижается поглощение газов растительностью и возрастает роль почвы.
Лесные и городские зеленые насаждения можно рассматривать как промышленный фитофильтр, призванный обезвредить промышленные выбросы. Критерием эффективности его работы должна быть способность снижать уровень загрязнения воздуха до предельно допустимых концентраций. Фильтр должен обладать долговечностью, определенной емкостью газопоглощения и устойчивостью не только к газам, но и другим экстремальным условиям. Емкость газопоглощения фитофильтра может регулироваться путем подбора состава растительности, оптимизации конструкции, полноты, увеличением ассимилирующей поверхности (листового индекса) и продолжительности вегетации.
Чтобы установить тот максимальный уровень загрязнений, который может быть устранен самими растениями, необходимо знать газопоглотительные возможности лесонасаждений: интенсивность поглощения, динамику газопоглотительной способности, общую емкость поглощения. Исследования Н.В. Гетко, Ю.З. Кулагина и др.[1] показали, что способность к накоплению больших количеств серы листьями с минимальным повреждением их в условиях задымления атмосферного воздуха сернистыми соединениями обладают устойчивые виды (тополь бальзамический, берлинский, дельтовидный, душистый; ива белая, козья). Н.В. Гетко и др. авторы выделяют газоустойчивые виды с высокой газопоглотительной способностью: тополя, ива белая, клен ясенелистный, береза пушистая, туя западная, дерен белый.
По данным Ю.З. Кулагина, С.А. Сергейчика [2], темпы накопления атмосферной серы наиболее высоки в период активного роста и формирования листьев и постепенно снижаются к концу вегетационного периода. В зоне интенсивного загрязнения наиболее контрастны в отношении уровня аккумулирующей серы 2 группы видов:
1 - жимолость татарская, клен ясенелистный, лох узколистный, тополь дрожащий и канадский (6,68.8,96 г серы на 1 кг сухих листьев);
2 - груша обыкновенная, боярышник колючий, вяз перистоветвистый, роза морщинистая (2,88.3,84 г
серы).
Промежуточное положение заняли ива белая, карагана древовидная, орех маньчжурский, пузыреп-лодник калинолистный, сирень обыкновенная, яблоня лесная (4,16.5,97).
Исходя из вышеизложенного, можно сделать следующие выводы: при некотором увеличении концентрации диоксида серы после модернизации алюминиевого завода существенного ослабления жизнеспособности древесных растений не произойдет. Это связано с более низкой повреждающей способностью диоксида серы по сравнению с фтористым водородом. При недостатке серы в почве древесные растения вовлекают в метаболизм соединения серы из атмосферного воздуха и распределяют их по различным частям растения, выступая тем самым в роли растительного фильтра. Таким образом, древесные и кустарниковые
растения могут снизить негативное воздействие диоксида серы на население города Братска. Для этого необходимо в ассортименте древесно-кустарниковой растительности увеличить количество видов, активно поглощающих серу: тополь бальзамический, берлинский, дельтовидный, душистый; ива белая, козья, клен ясенелистный, береза пушистая, туя западная, дерен белый.
Рассматривая предельно-допустимые концентрации (ПДК) наиболее опасных загрязняющих веществ, поступающих с промплощадки алюминиевого завода, в атмосферном воздухе населенных мест, почве, растительности, кормовых культурах и травах и данные экологического мониторинга, видно, что достичь на прилегающих к промплощадке завода территориях концентраций фторсодержащих загрязняющих веществ уровня ПДК для хвойной растительности на современном этапе даже с учетом модернизации завода невозможно. Однако следует учесть, что согласно исследованиям многих авторов, хотя газообразные фториды являются наиболее агрессивными загрязнителями, но радиус их действия ограничивается 1-5 км. Поэтому, применяя функциональное зонирование территории санитарно-защитной зоны, определяется следующий режим лесопользования: выращивание газо-, пыле- и дымоустойчивых насаждений, характеризующихся быстрым ростом, максимальным ветвлением и облиствлением, обеспечивающих наибольшую санитарногигиеническую роль.
Литература
1. Гетко, Н.В. О газопоглотительной способности хвойных / Н.В. Гетко, Ю.З. Кулагин, Э.М. Яфаев // Экология хвойных. - Уфа: БФАН СССР, 1978. - С.112-120.
2. Кулагин, Ю.З. О газоаккумулирующей функции древесных растений / Э.З. Кулагин, С.А. Сергейчик // Экология. - 1982. - №6. - С.9-14.
--------♦'----------
УДК 631.445.53:630*232 Ю.В. Бабиченко
БИОГЕОХИМИЧЕСКИЙ ЦИКЛ КРЕМНИЯ В ИСКУССТВЕННЫХ ЛЕСНЫХ ЭКОСИСТЕМАХ ТЕХНОГЕННЫХ ЛАНДШАФТОВ*
Выявлены общие закономерности цикла кремния в культурах сосны техногенных ландшафтов. Исследования показали, что основная масса кремния сосредоточена в блоке «Почва», что характерно для литофильных элементов. В блоке «Растительность» при формировании древостоев и напочвенного покрова аккумулировалось менее 1 % от запасов в почвенном блоке. В органогенном горизонте инициальных почв и в мортмассе минеральной толщи консервируются запасы кремния, в 1,5-2 раз превышающие аккумуляцию этого элемента в ежегодной продукции экосистем.
Основной предпосылкой длительного существования лесных биогеоценозов, как и любой биосферной ячейки, является стабильность биогеохимических циклов элементов. Появление новых факторов неизбежно приводит к изменению параметров динамики органического вещества и круговорота минеральных элементов, смене доминирующих видов - продуцентов органического вещества, а значит, к новому состоянию биогеоценоза [8,9,13,14].
Техногенные новообразования значительно отличаются по своим структурно-функциональным особенностям от ранее существовавших природных экосистем, прежде всего, характером литогенной основы, рельефом и др. компонентами ландшафтов.
Известно, что лесные экосистемы являются регулятором экологической обстановки, и создание лесных культур на отвалах вскрышных пород способствует оптимизации ландшафтов лесостепи и сохраняет земли сельскохозяйственного фонда.
* Работа выполняется при поддержке РФФИ-ККФН (грант 05-0597704).
