К.Б.Бакиров, к.г.н. (КРСУ); К.Д.Дуйшоков, к.ф.-м.н.(Институт автоматики НАН КР)
Цельюэтой работы является исследование вопроса влияния загрязнения атмосферы г.Бишкек на растительность. При этом рассматривались следующие вопросы: 1)значение растений в биосфере Земли; 2) роль растений в очищении атмосферы; 3)указание наиболее чувствительных растений для условий г. Бишкек; 4) оценкакритериев опасности загрязнения и установления пороговых концентраций,приводящих к повреждению и гибели растений и 5)указание мероприятий которыеспособствуют уменьшению воздействия загрязнения атмосферы на растительность.
Растительность- не только продукт органической материи на земле, но также с ее значительнымучастием формируются почва, климат и погода, круговорот материи и энергии,создаются экологические условия, необходимые для существования всех другихживых организмов, включая человека. Поэтому охрану природы на современном этапеследует рассматривать не столько как сохранение отдельных организмов исообществ, а преимущественно как сохранение естественных процессов поддержанияи регуляции круговорота веществ и энергии в биосфере, обеспечивающихпродолжение жизни на земле [8]. Так как растительность (продуценты) стоит уистоков всех биогеохимических, экологических и энергетических процессов вбиосфере, то она является одним из наиболее важных компонентов, определяющихблагополучие биосферы и жизни на земле.
Уменьшениезагрязнения среды следует добиваться преимущественно технологическимиспособами. Однако даже самые совершенные очистные сооружения не в состоянииизбавить нас от выбросов вредных веществ. Среди вспомогательных способоврегуляции чистоты воздуха большое значение, несомненно, имеет биологическийспособ (поглощение и переработка вредных веществ и газов растениями), так какафтоторфный характер метоболизма позволяет им ежедневно перерабатывать огромныемассы воздуха.
Лесслужит тем уникальным “насосом“, который перерабатывает и перекачивает “огрехи“человеческой деятельности [8]. Известно, что в солнечный день, например, 1 галеса поглощает 220-280 кг диоксида углерода и выделяет 180-220 кислорода, а вселеса планеты за год “пропускают“ через себя более 550 млрд. т диоксида углеродаи возвращают человеку около 400 млрд. т кислорода. Кроме того, леса поглощаютбольшое количество пыли (1 га леса за год — от 32 до 63 кг пыли в зависимостиот своего состава), выделяют очень ценные для человека вещества — фитонциды,способные убивать болезнетворные микробы (1 га леса в сутки дает 2-4 кгфитонцидов, а 30кг их достаточно для уничтожения вредных микроорганизмов вбольшом городе).
Вредноевлияние загрязненного воздуха на растения происходит, как путем прямогодействия газов на ассимиляционный аппарат, так и путем косвенного воздействиячерез почву [8]. Причем прямое действие кислых газов приводит к отмираниюотдельных органов растений, ухудшению роста и урожайности, а также качествасельскохозяйственной продукции. Накопление же вредных веществ в почвеспособствует уменьшению почвенного плодородия, своеобразному засолению почв,гибели полезной микрофлоры, нарушению роста, отравлению корневых систем инарушению минерального питания. Аккумуляция газа в экосистеме идет с участиемтрех компонент: растительности, почвы и влаги. В зависимости отпогодно-климатических условий, солнечной радиации и влажности почв можетизменяться поглотительная способность и удельный вес этих компонент.
Загрязнениеатмосферы приводит к значительному повреждению растительности. Во многихгородах и вблизи них исчезают сосна и другие породы деревьев. Например, вЦентральной Европе повреждено почти 1 млн. га хвойных лесов, или 10% общейплощади леса [8]. Общая площадь пораженных лесов, значительная часть которойсвязана с воздействием загрязнения атмосферы, в Европе (без СНГ) и СевернойАмерике составляет более 6 млн. га, в том числе в Германии — 39 млн. га, Польше- 0.38 млн. га, Чехии и Словакии 0.3 млн. га, в Канаде 1 — 1.5 млн. га, США — 0.5 млн. га.
Лишьблагодаря поглотительной деятельности растений, почвенной и водной средыпроисходит очищение атмосферного воздуха. Однако возможности этих систем небезграничны. Более того, они не справляются с поглощением и обезвреживаниемсуммарного годового выброса. Этим можно объяснить “отказ” растительностирегулировать содержание СО2 в воздухе [8]. Так, в Англииинтенсивность фотосинтеза древесных насаждений снизилась более чем в 5 раз.Загрязнение воздуха из локального (до конца ХХ века) превратилась в глобальное.Доказано, что загрязненный воздух из Германии достигает Норвегии, Швеции, а изЯпонии – США.
Физическиеисследования позволили высказать гипотезу о причинах роста концентрацииуглекислого газа в атмосфере Земли [8]. С одной стороны, это вызвано ростомпотребления, сжигания и переработки топлива и углеродосодержащих материалов, ас другой — уменьшением годичной продуктивности автотрофных организмов вназемных и водных экосистемах. Последнее вызвано: 1) заменой более продуктивныхестественных лесных фитоценозов на искусственные и менее продуктивные (сельхоз.угодья занимают уже более 10% суши); 2) подавлением фотосинтеза у растений подвлиянием повышения фона загрязнения воздуха, воды и почвы. Известно, что агроценозы,даже самые высокоурожайные, уступают естественным лесным фитоценозам посуммарной за год (на единицу площади) биологической продуктивности, а,следовательно, фотосинтезирующей деятельности, которая обеспечивает утилизациюCO2 и регенерации кислорода.
Подавлениефотосинтеза у наземных растений на значительных площадях промышленных странстало непреложным фактом, так как оно уже ощутимо при концентрации SO20.03-0.05 мг/м3. Следовательно, годовой выброс всех вредныхэксгалатов на Земле приближается к предельному или допустимому уровню, которыйможет утилизироваться и обезвреживаться в биосфере с участием (в первуюочередь) продуцентов. Вместе с тем это заставляет искать и разрабатывать методыконтроля качества среды и добиваться международного решения вопроса ограничениязагрязнения биосферы.
Известнычувствительные растения — индикаторы, не выносящие даже очень слабогозагрязнения воздуха. Под влиянием очень слабых концентраций сернистого газа мхии лишайники первыми исчезают из состава фитоценозов. К действию фтора оченьчувствительны гладиолусы.
Кислыегазы, нарушая рост и развитие растений (неоднократная смена листьев, вторичныйрост побегов, а иногда и вторичное цветение), могут снижать устойчивость их кдругим неблагоприятным факторам; засухе, заморозкам, засолению почв.
Повреждения(ожоги) делят по характеру их проявления и изменению физиолого-биохимическихпроцессов у растений на: острые (катастрофические), хронические и невидимые.
Различаютпять степеней повреждения растений сернистым газом в зависимости отконцентрации его и продолжительности поглощения листьями: отсутствиеповреждений, скрытые, хронические, острые и катастрофические.
Активацииповреждаемости растений газами способствует повышенная температура, влажностьвоздуха и солнечная радиация, т.е. факторы повышающих газообмен и поглощениетоксичных газов. При пониженной освещенности и ночью повреждаемость растенийуменьшается. Прекращение газообмена зимой у хвойных пород также предохраняет ихот повреждений.
Исследования[8] показали, что зеленые растения более чувствительны к различным газам, чемживотные и человек. Допустимая максимально- разовая концентрация SO2для растений оказалось равной 0.02 мг/м3 (для животных и человека0.05 мг/м3). Большая чувствительность растений связана с большейскоростью проникновения газа и автотрофным характером их метаболизма.
Втабл.1, составленной [5] с учетом данных Фогля и др. [11] и Вейнстейна иМаккюна [12], существующие типы и масштабы последствий атмосферныхзагрязнителей на различных уровнях организации экосистемы предложены в качествеосновы для дальнейших исследований. При таком сопоставлении устанавливаетсявзаимосвязь между влиянием на клеточном уровне и реакциями всего растения илидаже растительного сообщества в целом. Процесс воздействия начинается споступления загрязнителя в клетку, далее на растительный организм и, в конечномсчёте на растительные сообщества в целом.
Преждечем дадим оценку влияния вредных примесей на растения, рассмотрим уровеньзагрязненности атмосферы г. Бишкек, который наблюдался в период наибольшегоразвития промышленности. Уровень загрязнения воздуха в Бишкеке в конце 80-хгодов был очень высоким [2]. Для атмосферы города характерно было значительноесодержание пыли и бенз(а)пирена: средние за год концентрации составлялисоответственно 7 и 14 ПДК. Наибольшие уровни содержания бенз(а)пиренанаблюдались вблизи вокзала и железной дороги. В 6 км от железной дорогиконцентрация снижается почти в 8 раз. Максимальные разовые концентрации пыли,окиси углерода и двуокиси азота составляют 10-16 ПДК, других веществ 2-3 ПДК.Существенный вклад в высокий уровень запыленности воздуха вносили севернаяпромышленная зона, а также ТЭЦ-1, мелкие котельные предприятия легкой и пищевойпромышленности.
Таблица1
Классификациядействия атмосферных загрязнителей на растенияКлетка Уровень организации /> ткань или орган организм экосистема Поглощение загрязнителя Поглощение или осаждения загрязнителя Поглощение или осаждения загрязнителя Накопление загрязнителя в растениях и других компонентах экосистемы, таких, как почва, поверхностные и грунтовые воды Изменение клеточной среды Изменение ассимиляция, дыхание или транспирация Изменение роста /> Действия на ферменты и метаболиты Изменения клеточных органелл и метаболизма Изменения в росте и развитии
Повышение восприимчивости к биотическим и абиотическим влияниям
Снижение продуктивности, урожая и качества
Вредность для потребителей как результат накопления (флюроз)
Изменение видового состава, также связанные со сдвигами в межвидовой борьбе Нарушение путей обмена веществ Хлороз, некроз Гибель растений Нарушение биогеохимических циклов Изменение клеток Гибель или отмирание органов растений /> Нарушение стабильности и уменьшение способности к саморегуляции Разрушение и гибель клеток /> /> Распад древостоев и ассоциаций Расширение лишенных растительности зон (опустошение)
Внастоящее время уровень загрязнения г. Бишкек остаеться высоким. Несмотря нато, что многие промышленные предприятия не функционируют, тем не менееувеличился выброс за счет возрастания количества автомобильного транспорта (доэтого экплуатированных в развитых капиталистических странах). В последние годыпрошлого века отмечались высокие концентрации пыли (2-3 ПДК), оксида азота (1,8- 2,9 ПДК), оксида углерода (до 2 ПДК) и амиака (до 3,2 ПДК). Концентрациидругих ингредиентов находятся в пределах или чуть выше ПДК
Извсех примесей, оказывающих вредное воздействие на растительность, самымизученным является двуокись серы [1,3,6,8,9,10], именно ей уделим основноевнимание. О’Гара установил сравнительную чувствительность примерно 100 видоврастений к SO2 в условных единицах, причем за единицу принятачувствительность люцерны [3]. Для самой люцерны установлено, что начальныепризнаки её повреждения соответствуют концентрации SO2 (условно этуПДК обозначим Сpd), равной 3.3мг/м3 или 1.2 млн-1при длительности воздействия 1ч.
Длявеличин Сpd по отношению к растительности О’Гара установил ихзависимость от времени действия t в виде уравнения Сpd = 0.33 +0.92/ t, где Сpd выражено в млн-1, а t — в часах.
Слабомупоражению листа соответствует Сpd = 0.94 + 0.24/ t, а разрушениюлиста на 50 и 100% соответствуют Сpd = 1.4 + 2.1/ t и Сpd= 2.6 + 3.2/ t .
Наоснове этих формул произведена классификация растений по степени устойчивостирастений к SO2 и расчитаны пороговые концентрации диоксида серы, прикоторых растения подвергаются различным воздействиям.
Таблица2
Сравнительнаяустойчивость растений к SO2 и пороговые концентрации SO2(в млн-1).Растение Устойчивость Повреждение /> Значение Степень слабое на 50% на 100% люцерна 1.0 слабая 1.2 3.5 5.8 овес 1.3 слабая 1.5 4.6 7.5 клевер 1.4 слабая 1.6 4.9 8.1 пшеница 1.5 слабая 1.8 5.2 8.7 горох 2.1 средняя 2.5 7.4 12.2 виноград 2.2 средняя 2.6 7.7 12.8 абрикос 2.3 средняя 2.8 8.0 13.5 картофель 3.0 значительная 3.6 10.5 17.4 кукуруза 4.0 значительная 4.8 14.0 23.2 огурцы 4.2 значительная 5.0 14.7 24.4 сосна 7 значительная 8.4 24.5 40.6
Концентрациивредных примесей по-разному оказывают влияние, как на культурные, так и надикорастущие виды растений. Растения имеют различную чувствительность кпримесям как от их концентрации так от продолжительности их воздействия (рис.).
Группаэкспертов ВОЗ для оценки воздействия SO2 на окружающую среду,человека и растительность рекомендовала пользоваться графиком, приведенным нарис. [10]. Из него следует, что при небольших концентрациях SO2 растениямогут повреждаться при больше продолжительности времени воздействия, так,например, при концентрации больше 0.2 мг/м3 растения могутповреждаться в течение месяца. При уменьшении времени воздействия концентрациявеществ, приводящих к повреждению, увеличивается, так кратковременное до 5минут резкое увеличение концентрации (которое может наблюдаться при залповыхвыбросах и при аварии) может привести к повреждению и гибели растительности.Однако зависимости эти еще недостаточно изучены. Нередко отмечаются случаиповреждения деревьев, особенно хвойных, при весьма малых концентрациях SO2.
/>
Рис.Зависимость между концентрацией SO2, при которой
повреждаютсярастения, и временем воздействия
I– область значений концентраций SO2 и продолжительности воздействия,при которых установлено повреждение растительности; II – то же, при которых неустановлено повреждение
Несмотряна то, что уровень загрязнения воздуха в целом в Бишкеке выше среднего по СНГ,концентрация SO2 в отдельные годы колеблется в пределах от 0.003 до0.009мг/м3 и поэтому никакой опасности для растений в настоящеевремя не представляет. Соблюдение ПДК во многих случаях позволяет обеспечитьнеобходимые условия сохранения растений от их повреждения вследствиезагрязнения воздуха.
Дляослабления угнетающего действия атмосферного загрязнителей применяют удобрения,которые ослабляют отрицательное воздействие почв и непосредственно влияют напрогрессирующее развитие повреждений надземных органов растений. Под влияниемSO2 может происходить сильное подкисление почв [5]. Вследствиезависимости растительности от реакции почвы при подкислении могут происходитьизменения видового разнообразия сенокосных угодий и естественных экосистем. Длясельскохозяйственных площадей важно, чтобы в почве имелось достаточноеколичество кальция, необходимого для поддержания pH в оптимальных пределах,обеспечивающих протекание реакций обмена ионов, насыщения коллоидов иподдержания рыхлости почвы. В качестве питательного вещества кальций, крометого, повышает устойчивость к SO2 и HF. Эти положения такжесправедливы и для азота. Вместе с тем, сразу после внесения больших доз азотныхудобрений может повыситься чувствительность растений к токсикантам, и поэтомурекомендуется постепенное внесение удобрений.
Калийтакже увеличивает устойчивость растений. Оптимальное снабжение калием, особеннов случае воздействия SO2, уменьшает степень повреждения, посколькускорость поглощения SO2 противоположность скорости поглощения HF не возрастает.В целом внесение удобрений надо проводить таким образом, чтобы, наскольковозможно, избежать внесения тех элементов, которые входят в состав загрязнений.Более того, удобрения лучше всего вносить в такой химической форме, котораяспособствует уменьшению поглощения данных элементов. Например поскольку ионы NO3подавляют поглощение ионов Cl [5], то очевидно, что при наличии HCl нитратноеудобрение будет более эффективным, чем удобрение азотом в форме аммония.
Такимобразом, для улучшения экологического состояния г. Бишкек необходимо сохранить,а в лучшем случае увеличить площади зеленых насаждений, причем приоритетнеобходимо давать древесным насаждениям, выделяющим большое количествофитонцидов (сосна, ель, арча). Косвенно об экологическом состоянии можно судитьпо наличию мхов и лишайников, чутко реагирующих на увеличение SO2 ватмосфере. Для уменьшения воздействия загрязнения атмосферы на растения необходимовносить в почву такие удобрения, как азотные, калийные и кальциевые. Внастоящее время угроза со стороны SO2 на растения нет, еслиисключить возможные залповые выбросы, которые могут быть в результате аварийили сжигания угля с большим содержанием серы.
Список литературы
1.Баркер и др. Загрязнение атмосферного воздуха. — Женева, ВОЗ, 1962.
2.Безуглая Э.Ю, Расторгуева Г.П., Смирнова И.В. Чем дышит промышленный город.-Л.: Гидрометеоиздат. 1991. -256с.
3.Берлянд М.Е. Прогноз и регулирование загрязнения атмосферы. –Л.:Гидрометеоиздат, 1991. –136с.
4.Владимиров А.М. и др. Охрана окружающей среды. Л.: Гидрометеоиздат.1991. -442с.
5.Гудариан Р. Загрязнение воздушной среды / Пер. с англ. Под ред. Г.М.Илькуна.-М: Мир. 1979, 200с.
6.Илькун Г.М. Загрязнение атмосферы и растений. -Киев: Наукова думка.1978. -248с.
7.Климат Фрунзе / Под ред. Е.С.Скибы, Ц.А.Швер. -Л.: Гидрометеоиздат, 1990.-136с.
8.Николаевский В.С. Биологические основы газоустойчивости растений. –Новосибирск: Наука. 1979, -278с.
9.Николаевский В.С., Першина Н.А. Проблемы предельно допустимых концентрацийзагрязнителей, воздействующих на растения / Проблемы фитогигиены и охранаокружающей среды. Изд. АН СССР, С.117-121.
10. Sucss M.J., Crastford J.R., eds Manual on urban air quality management.- Copenhagen: 1976, BHO. 200p.
11. Vogl M., Börtisz S., Poster H. Physiologischt undbiochemishe Beitrage zur Rauchaden fochung. G. Mitt. Definitionen vonShadigungsstufen und resistenzformen gegenuber der shadgaskompontnte SO2.Biol. Zbl. 84, 763-777.
12. Weinstein L.H., McCune D.C. (1970). Effects of fluoride onagriculture. JAPCA 21, -P.410-413.