CC BY
57
24
ВЕСТНИК УДМУРТСКОГО УНИВЕРСИТЕТА
Ботанические исследования
УДК 574.4:504.054 И.Н. Агиков
ВЛИЯНИЕ АТМОСФЕРНЫХ ВЫБРОСОВ КОМБИНАТА ЦВЕТНОЙ МЕТАЛЛУРГИИ НА НАСАЖДЕНИЯ СОСНЫ ОБЫКНОВЕННОЙ (PINUS SYLVESTRIS L.) (ЮЖНЫЙ УРАЛ)
Исследовано влияние атмосферных выбросов медеплавильного комбината на апикальный прирост, длину и состояние хвоинок в баллах, число смоляных ходов на поперечном срезе хвоинок сосны обыкновенной. Установлено, что апикальный прирост зависит от количества валовых выбросов медеплавильного комбината. Обнаружено, что наиболее чувствительным среди трех показателей сохранности хвоинок является их длина.
Ключевые слова: сосна обыкновенная, апикальный прирост, число смоляных ходов, длина хвоинок, состояние хвоинок в баллах.
Сосна обыкновенная (Pinus sylvestris L.) - хвойное вечнозеленое дерево семейства сосновых (Pinaceae), высотой до 50 м, при одиночном произрастании имеет меньшую высоту и раскидистую зонтиковидную крону. Период жизни составляет примерно 300 лет. Широко распространена по всей территории России. Предпочитает бедные песчаные почвы, так как ее семена не прорастают в условиях конкуренции с плотным покровом травостоя [1].
Для биоиндикации могут быть использованы все части дерева, начиная от корней, заканчивая пыльцой [2; 3]. Анализ проводится на любом уровне: от микроскопического (субклеточном, клеточном) [4-6] до макроскопического (на уровне отдельного органа, части организма или всего организма в целом) [2; 7-10].
В условиях сниженного аэротехногенного воздействия Карабашского медеплавильного комбината площадь сосновых древостоев заметно увеличилась и занимает импактную, буферную и фоновую зоны поражения (деления на описываемые зоны см. [11]). Наряду с березой повислой (Betula pendula Roth) является единственной лесообразующей породой в зоне воздействия медеплавильного комбината. Таким образом, целью данного исследования является изучение влияния атмосферных выбросов медеплавильного комбината на древостой сосны.
Материалы и методика исследования
Рельеф местности изучаемой территории представляет собой сложную горную систему. Медеплавильное предприятие расположено в естественной депрессии, так называемой Саймоновской долине, которая практически со всех сторон окружена цепью гор и возвышенностей. На востоке Сай-моновская долина граничит с небольшой горной системой (г. Золотая), далее на юго-востоке находится Ильменский хребет. Обе горные системы протянуты практически меридиально с небольшим (около 15°) отклонением на восток. Высота этих образований не превышает 200 - 250 м над уровнем местности (около 600 м над уровнем моря). Основные слагающие породы: граниты, гнейсы, зелено-каменные породы (хлоритизированные, эпидотизированные, рассланцованные) [12].
Изучаемая территория расположена в лесной зоне, в подзоне сосново-березовых лесов. Лесистость составляет от 70 до 90 %. В составе флоры участвует значительное количество степных видов, местами формирующих остепненные и различные степные группировки. Типы леса: зеленомошные брусничные и брусничные сосняки, производные от них березняки [13].
Пробные площади (ПП) закладывались на трансектах, проходящих через центр источника атмосферных выбросов вдоль и поперек господствующего северо-западного направления ветра. Всего было заложено семь ПП: ЮВ-3, ЮВ-6, ЮВ-9, ЮВ-12, СВ-9, СВ-12 и С3-3. В маркировке буквенный шифр означает направление, цифра — расстояние от труб комбината в километрах. Краткое описание пробных площадей приведено в работе И.Н. Агикова и А.М. Степанова [14]. Карта района с расположением пробных площадей представлена на рис. 1.
Хвоинки на каждой ПП отбирались с 10 сосен со стороны комбината на уровне груди по 10 пар с каждой (5 пар хвоинок первого и столько же второго года). Всего при исследовании было обработа-
но 700 хвоинок (длина, состояние в баллах по Шуберту [15]) и 210 хвоинок при исследовании их поперечного среза с подсчетом числа смоляных ходов (по 30 с каждой ПП). На тех же ПП производился замер годового апикального прироста сосны (по 10 с каждой ПП) при помощи рулетки.
Рис. 1. Карто-схема района исследования
Состояние хвоинок оценивалось на глаз по шестибальной шкале (табл. 1). Изучение поперечного среза хвоинок с подсчетом числа смоляных ходов проводилось при помощи стандартного светового микроскопа с увеличением 10x10.
Таблица 1
Описание численных значений баллов состояния хвоинок
Балл Описание
6 Здоровые. Поверхность хвоинок чистая без видимых пятен некрозов.
5 Ослабленные. Поверхность более или менее чистая с небольшой (около 10 %) площадью повреждения поверхности некрозами. Кончики хвоинок не усохшие.
4 Сильно ослабленные. Площадь повреждения поверхности некрозами составляет более 25 %, наблюдается начало усыхания кончиков.
3 Полумертвые. Площадь повреждения поверхности некрозами превышает 50 %, наблюдается дальнейшее усыхание хвоинок от кончиков к основанию.
2 Отмирающие. Площадь отмершей листовой пластинки составляет 75 % и более.
1 Мертвые. Полностью усохшие хвоинки.
Обработка данных длины хвоинок производилась с помощью логистической кривой с использованием уравнения:
А - а0
У =-7—0-\ + а0,
1 + ехр(а + р ■ х)
где у - соответствующий безразмерный показатель; А и а0 - максимальный и минимальный уровень логистической кривой; а и в коэффициенты, х - расстояние до источника аэротехногенного воздействия, км. Критические точки кривой находилиись с помощью системы трех уравнений:
_ -а + 1п (2-Уэ) = а _ -а + 1п (2 + Уэ)
Хп = , Хр = , Хи = ,
В р с р Н р
где хВ, хС, хН — верхнее (максимальное), среднее (точка перелома кривой) и нижнее (минимальное) значение логистической функции [16].
2012. Вып. 2 БИОЛОГИЯ. НАУКИ О ЗЕМЛЕ
Результаты и их обсуждение
В результате исследования было установлено сильное воздействие комбината на состояние соснового древостоя, которое отражалось на всех изучаемых показателях. Так, средний годовой апикальный прирост сосен, произрастающих на расстоянии 3-6 км от источника аэротехногенного воздействия (1111 ЮВ-3, ЮВ-6 и С3-3), зависел только от валовых годовых атмосферных выбросов. На рис. 2 дано графическое изображение динамики апикального прироста. Здесь четко виден минимум, связанный с увеличением производительности комбината, продолжавшийся вплоть до 2003 г. В данном году комбинат ввел в эксплуатацию мокрую очистку отходящих газов, позволяющую снизить выбросы тяжелых металлов и сернистого ангидрида в атмосферу, что немедленно отразилось на приросте. Некоторое снижение, наблюдаемое после 2006 г., объясняется постепенным наращиванием производственной мощности комбината. К 2008 г. ЗАО «Карабашмедь» увеличил выпуск черновой меди почти в два раза по сравнению с 2000 г.
350
I Ш
о.
g 310
G
| 290. й
я 270
0
tL
1 250
в в
Ц 230 21В
1999 2000 2001 2002 20Q3 -2004 2005 2006 2007 2008
Годы
Рис. 2. Динамика апикального прироста сосны
Что касается остальных пробных площадей, то здесь наблюдается иная динамика, без выраженного минимума. Так, на ЮВ-12 наблюдается спад изучаемого показателя. Для СВ-9 характерно его увеличение. Это означает, что чем дальше расположена изучаемая площадь и чем лучше на ней развиты растительные сообщества, тем наблюдаемая связь между апикальным приростом сосны и годовыми валовыми атмосферными выбросами слабее, поэтому наибольшей чувствительностью к аэротехногенным выбросам обладают сосны, произрастающие на ближних площадях.
Перейдем к рассмотрению параметров, отражающих сохранность хвоинок (длина хвоинок, их состояние, в баллах по Шуберту [15]; число смоляных ходов). Установлено, что все три параметра достоверно снижаются по мере приближения к антропогенному источнику выбросов, что выражается в положительной корреляции с расстоянием до труб комбината. Ее величина зависит как от изучаемого показателя, так и от направления (табл. 2).
Таблица 2
Коэффициенты корреляции и регрессии
Параметры Юго-восточная трансекта Северо-восточная трансекта
Коэффициент Коэффициент Коэффициент Коэффициент
корреляции, r регрессии, R корреляции, r регрессии, R
Число смоляных ходов 0,20 0,07 0,36 0,22
Состояние хвоинок в баллах 0,39 0,10 0,22 0,09
Длина хвоинок 0,40 1,19 0,58 2,83
Из табл. 2 видно, что наибольшей чувствительностью из трех выбранных показателей обладает длина хвоинок. Кроме того, значения коэффициентов корреляции и регрессии по северо-восточному направлению выше, чем по юго-восточному, что объясняется особенностью розы ветров изучаемого района. Действительно, основная масса выбросов труб комбината переносится западными и северозападными ветрами на юг и юго-восток, поэтому снижение их концентрации на каждый километр будет ниже, чем по северному, северо-восточному или северо-западному направлению. Отсюда следует, что при изучении чувствительности какого-либо биоиндикатора от расстояния до источника атмосферных выбросов необходимо учитывать особенность розы ветров.
Характер зависимости длины хвоинок от расстояния до труб комбината носит ярко выраженный S-образный характер (рис. 3). Как видно на кривой, на расстояниях от 6 до 9 км угловой коэффициент изучаемого показателя резко возрастает. Такое поведение характерно для большинства величин, отражающих степень сохранности всех ключевых звеньев биогеоценозов [11; 17; 18]. Более того, изменение показателей фитоценозов травяно-кустарничкового яруса на изучаемой территории, данные о которых были опубликованы в работе И.Н. Агикова и А.М. Степанова [14], происходит более или менее синхронно (рис. 4).
о
и
о
ИГ:
N и
ба
I
54
52
50
48
46
44
42
40
1 1 1 1 1 1
ФФФ Экспериментальные точки Логистическая кривая
1 Y
1
7
10 11 12 13
Расстояние до груб комбината, км Рис. 3. Зависимость длины хвоинок от расстояния до труб комбината
Такая же синхронность между санитарным состоянием соснового древостоя и общим проективным покрытием травяно-кустарничкового яруса наблюдалась нами и в случае Липецкого металлургического комбината [19]. Было обнаружено, что при достижении концентрации твердых взвесей в снеге, равной 70,4-78,3 мг/л, значения обоих показателей скачкообразно снижаются.
Основным объяснением данного феномена может быть изменение свойств почвенного покрова под действием аэротехногенных выбросов комбината цветной металлургии. В частности, на изучаемой территории наблюдалось аномальное накопление опада вблизи комбината, что указывает на замедление процессов деструкции растительных остатков. Для подтверждения данного утверждения нами была проанализирована толщина лесной подстилки, которая регистрировалась в прикопах, закладываемых в количестве 16 штук на каждой пробной площади. Данное исследование проводилось в те же сроки.
В результате проведенного исследования удалось установить, что толщина лесной подстилки в промежутке между шестым и девятым километром скачкообразно увеличивается с 33 % (что соответствует толщине, равной 25 мм) до 100 % (толщина подстилки 75 мм) (рис. 5). Это указывает на снижение скорости течения процессов деструкции растительного опада под действием аэротехногенных поллютантов медеплавильного комбината. Плотный спрессованный покров отмерших остатков растительности снижает скважность почвенного покрова, что приводит к ухудшению аэрации и во-
2012. Вып. 2
БИОЛОГИЯ. НАУКИ О ЗЕМЛЕ
допроницаемости почв. Кроме того, снижение скорости деструкции растительных остатков отрицательно сказывается и на минеральном питании растительности. Это приводит к скачкообразному снижению длины хвоинок, а также объясняет синхронность этого скачка с двумя другими биоиндикационными показателями: общим проективным покрытием травяно-кустарничкового яруса и толщины лесной подстилки.
100
К К
О
..... -Аппроксимирующая кривая ■ Экспериментальные точки ~
70 60 50 40 ■:30 20 10 0
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13.
Расстояние до источника выбросов, км
Рис. 4. Зависимость общего проективного покрытия травяно-кустарничкового яруса (ОПП)
от расстояния до труб комбината [14]
ио 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0
У я
с
¡2
О О
я
3"
о 2
/ г
/
/
1
1 1
■■■ Экспериментальные то1 пси _ 1вая
11— Аппроксимирующая кр1 1111
о
1
11
12 13
3456789 10 Расстояние до источника выбросов, км
Рис. 5. Зависимость толщины лесной подстилки от расстояния до источника аэротехногенного воздействия (100 % соответствует толщине, равной 75 мм)
Выводы
Таким образом, в результате проведенного исследования было установлено: 1) средний годовой апикальный прирост сосен зависит от валовых выбросов загрязняющих веществ в атмосферу;
2) наибольшей чувствительностью к аэротехногенному воздействию обладает сосновый древостой, произрастающий на ближних I II I (3-6 км от медеплавильного предприятия);
3) наибольшей чувствительностью среди трех выбранных показателей, отражающих степень сохранности хвоинок, является их длина;
4) кривая зависимости длины хвоинок от расстояния до труб комбината носит ярко выраженный S-образный характер; участок «быстрых» изменений совпадает с таковыми на кривых общего проективного покрытия травяно-кустарничкового яруса и толщины лесной подстилки;
5) причина синхронности трех кривых заключается в изменении свойств почвенного покрова, имеющим место благодаря замедлению процессов деструкции растительного опада.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Габдрахимов К.М., Сабирзянов И.Г. Воспроизводство и повышение экологической продуктивности лесов Южного Урала. М.: ГОУ ВПО МГУЛ, 2006. 310 с.
2. Ярмишко В.Т. Оценка состояния подземных органов растений в условиях промышленного загрязнения // Влияние промышленных предприятий на окружающую среду. Пущино, 1984. С. 230-231.
3. Третьякова И.Н., Носкова Н.Е. Пыльца сосны обыкновенной в условиях экологического стресса // Экология. 2004. № 1. С. 26-33.
4. Теребова Е.Н., Сазанова Т.А., Галибина Н.А. Состояние хвои Pinus sylvestris (Pinaceae) в условиях промышленного загрязнения (Костомукшский горно-обогатительный комбинат, Республика Карелия) // Растит. ресурсы. 2008. Т. 44, №2. С. 56-58.
5. Галибина Н.А., Теребова Е.Н. Особенности свойств клеточных стенок хвои сосны обыкновенной разного жизненного состояния // Физиология растений. 2008. Т. 55, №3. С. 419-425.
6. Стасова В.В., Скрипальщикова Л.Н., Татаринцев А.И., Грешилова Н.В., Зубарева О.Н. Строение и развитие проводящих и запасающих тканей в стволах сосны обыкновенной в антропогенно-нарушенных экосистемах // Вестн. Мос. гос. ун-та леса. Лес. 2009. №1. С. 39-44.
7. Тутыгина Г.С. и др. Оценка зависимости морфометрических показателей хвои сосны от концентрации тяжелых металлов // Вестн. Помор. ун-та. Сер. Естеств. науки 2009. № 1. С. 64-67.
8. Fedorkov A., Kaitera J., Jalkanen R. Condition and growth of Scots pine seedlings under strong and weak pollution in Kola Peninsala // Balt. Forest. 2007. Vol. 13, №2. P. 179-183.
9. Ковылина О. П., Зарубина И. А., Ковылин А. Н. Жизненное состояние лесных культур сосны обыкновенной в пригородной зоне Усть-Илимска // Вестн. КрасГАУ. 2008. №5. С. 96-102.
10. Зайцев Г. А., Кулагин А. Ю., Багаутдинов Ф. О. Особенности строения корневых систем Pinus sylvestris L. и Larix sukaczewii Dyl. в условиях уфимского промышленного центра // Экология. 2001. № 4. С. 307-309.
11. Степанов А.М., Кабиров Р.Р., Черненькова Т.В., Садыков О.Ф., Ханисламова Г.М., Некрасова Л.С., Бутусов О.Б., Бальцевич Л.А. Комплексная экологическая оценка техногенного воздействия на экосистемы южной тайги. М.: ЦЕПЛ, 1992. 246 с.
12. Макунина Г.С. Геоэкологические особенности карабашской техногенной аномалии // Геоэкология. Инженерная геология. Гидрогеология. Геокриология. 2001. № 3. С. 221-226.
13. Колесников Б.П. Очерк растительности Челябинской области в связи с ее геоботаническим районированием // Флора и лесная растительность Ильменского государственного заповедника имени В. И. Ленина. Тр. заповедника. Свердловск. 1961. Вып. VIII. С. 105-129.
14. Агиков И.Н., Степанов А.М. Исследование воздействия атмосферных выбросов комбината ЗАО «Карабаш-медь» на лесные экосистемы // Экосистемы Центральной Азии: исследования, проблемы охраны и природопользования: материалы IX убсу-нурского международ. симпоз. Кызыл: ГУП «Тываполиграф», 2008. С. 205-208.
15. Биоиндикация загрязнений наземных экосистем / под ред. Р. Шуберта. М.: Мир, 1988. 350 с.
16. Воробейчик Е. Л. Реакция почвенной биоты лесных экосистем Среднего Урала на выбросы медеплавильных комбинатов: автореф. дис. ... канд. биол. наук. Екатеринбург, 1995. 24 с.
17. Черненькова Т.В. и др. Воздействие металлургических производств на лесные экосистемы Кольского полуострова. СПб: ЦЕПЛ, 1995. 252 с.
18. Воробейчик Е.Л., Садыков О.Ф., Фарафонтов М.Г. Экологическое нормирование техногенных загрязнений наземных экосистем (локальный уровень). Екатеринбург: Наука, 1994. 280 с.
19. Агиков И.Н., Степанов А.М. Анализ состояния сосновых фитоценозов в условиях сложного антропогенного воздействия пылевых выбросов ОАО «НЛМК» и рекреации, создаваемой городским населением // Энергосберегающие технологии в металлургической промышленности: Тр. 5-й науч.-практ. конф. М.: НИТУ «МИСиС», 2010. С. 421-424.
Поступила в редакцию 01.03.12
30_И.Н. Агиков_
2012. Вып. 2 БИОЛОГИЯ. НАУКИ О ЗЕМЛЕ
I.N. Agikov
The influence of non-ferrous smelt atmospheric emissions on Scots pine (Pinus sylvestris L.) forests (South Urals)
The article covers the influence of copper smelt atmospheric emissions on the apical growth and length, on the number of gum canals of Scots pine needle and on the degree of the acerose leaves' condition. It has been determined that the apical growth depends on the amounts of copper smelt atmospheric emissions. It has been also revealed that the most sensitive out of three chosen bioindicators of the needles' state was a needle's length.
Keywords: apical growth, Scots pine, number of gum canal, degree of needle condition, needle length.
Агиков Ильнур Назырович, ассистент Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС»
119049, Россия, г. Москва, Ленинский просп., 4 E-mail: [email protected]
Agikov I.N, lecturer
National University of Science and Technology «MISIS» 119049, Russia, Moscow, Leninsky av., 4 E-mail: [email protected]
