Фитоиндикация загрязнения атмосферы в зоне влияния химического производства

It is shown in the work how under the impact of chemical pollution in forest ecosystems is transformed. We attempted to estimate affection various components of vegetation cover dependent on the level of chemical pollution. Plant indication-method of chemical pollution of air is developed. The territory and dynamics of atmospheric air pollution for chemical plant are identified by phytoindication.

В мировой практике для оценки загрязнения воздуха широко используются методы фитоиндикации. Существенной проблемой является изменчивость индикационных показателей в различных ландшафтно-экологических условиях. Ландшафтно-экологический подход в фитоиндикации (фитоиндикаторы рассматриваются в качестве подсистемы или элемента геосистемы) позволяет отчленить влияние загрязнения воздуха от влияния совокупности природных и антропогенных факторов, которые обуславливают вариабельность свойств фитоиндикаторов.

Степень загрязнения атмосферы и его воздействия на растительность определяется сравнением эталонных (фоновых) экосистем с одноранговыми экосистемами, находящимися в зоне влияния источника загрязнения (техногенными модификациями). Основной метод изучения – градиентный анализ, заключающийся в сопоставлении характеристик растительности и уровня загрязнения (нагрузки). Комплексный градиент загрязнения может быть представлен в виде топоклина, т.е. изменения растительности в зависимости от расстояния до источника выбросов.

Задачей наших исследований являлось выяснение фитоиндикаторов, позволяющих оценить трансформацию лесного ландшафта в зоне влияния химического производства.

Объект исследований - лесные экосистемы, находящиеся в зоне влияния химического завода по производству фосфорных удобрений (аммофос, суперфосфат, азотно-фосфорно-калийные). Выбросы данного производства характеризуются высокой токсичностью и содержат аммиак, пары серной кислоты, аммофос, соединения фтора, сернистый ангидрид.

Природный ландшафт данной территории представлен плоско-волнистой надпойменной террасой, сложенной древнеаллювиальными отложениями, с сосновыми, широколиственно-сосновыми орляково-кисличными лесами. Исследовалась растительность плакорных фаций (сосняки орляково-кисличные на дерново-слабоподзолистых песчаных почвах).

В ходе полевых работ была выполнена геоботаническая съемка растительного покрова (на пробных площадках 10х10 м), химическое опробование вод и грунтов, а также изучены факторы техногенного воздействия на лесные ландшафты вблизи химического завода.

Биоморфологические показатели хвои сосны (средняя длина, возраст, некрозы) изучались на модельных деревьях, как правило, отдельно стоящих (5-10 деревьев в каждой точке наблюдения). Пробные площадки закладывались по профилю, ориентированному по направлению доминирующей составляющей розы ветров. Для оценки индикационной пригодности тех или иных показателей растительности было проанализировано их распределение по градиенту химической нагрузки, величина которой обратно пропорциональна расстоянию от источника выбросов.

Фитоиндикаторы изучались на двух уровнях: на уровне популяций растений и на уровне фитоценозов.

Химическое воздействие вызывает изменения различных популяций растений, наиболее чувствительными из которых являются деревья. Древесная растительность, прежде всего сосна (Pinus silvestris L.), оказывается не устойчивой в зоне загрязнения. Это связано с тем, что хвойные породы более чувствительны к загрязнению атмосферы, чем лиственные. Постоянное загрязнение является губительным для них: в хвое накапливаются до летального уровня соединения серы, происходит изреживание кроны, ослабление дерева в целом и его отмирание (часто при участии энтомовредителей). Угнетенное состояние популяции сосны диагностируется усыханием взрослых деревьев, поврежденностью хвои, отсутствием подроста сосны. Наблюдается зависимость средней длины хвои, возраста хвои, годового линейного прироста побегов, численности хвои на 10 см от расстояния от источников выбросов.

В зоне непосредственного воздействия (до 1 км) средняя длина хвои уменьшается в 1,5 раза, численность хвои – в 2-5 раз, годовой линейный прирост побегов – в 2-3 раза, по сравнению с фоновыми лесами. Достоверные изменения биоморфологических показателей хвои прослеживаются на удалении от источников выбросов на расстояние до 2 км. Наиболее чувствительными показателями являются возраст хвои и величина линейного прироста побегов.

На рисунках приведены изменения по градиенту воздействия химического загрязнения показателей сосны.

Деградация древесного яруса способствует увеличению химического воздействия на нижние ярусы. Сомкнутый древостой защищает подлесок и подрост от непосредственного действия выбросов. При разрушении древостоя нижние ярусы «открываются» и нагрузка на них усиливается. Такая ситуация наблюдается на расстоянии менее 1 км от источника выбросов, где химическое воздействие вызвало деградацию древесного яруса, значительные повреждения незащищенного подлеска, угнетение кустарничков, трав и мхов. Особо чувствителен к загрязнению подрост, его численность здесь сокращается в 9 раз, а видовое богатство в 2,2 раза по сравнению с фоновыми лесами (причем доля здорового подроста составляет всего лишь 20%). В травяном ярусе доминирует вейник наземный (Calamagrostis epigeios (L.) Roth.) с участием иван-чая узколистного (Chamaenerion angustifolium (L.) Scop.). На расстоянии 1-2 км от источника выбросов уровень химического воздействия достаточен для повреждения сосны, но недостаточен для существенных повреждений лиственных пород. Поэтому здесь разрушенный сосновый древостой интенсивно заменяется устойчивыми видами – березой (Betula pendula Roth.), дубом (Quercus robur L.) и осиной (Populus tremula L.). В тоже время численность подроста в 1,5-3 раза ниже, чем в фоновых лесах; доля поврежденного и усохшего подроста составляет 20-40%. В травяном ярусе появляются виды, характерные для ненарушенных лесов, такие как Pteridium aquilinum (L.) Kuhn., Convallaria majalis L., Melampyrum nemorosum L., Trollius europaeus L. и другие. На расстоянии более 2 км от источника выбросов уровень химического воздействия не может вызвать сильные повреждения соснового древостоя, поэтому  видовая и экологическая структура растительности близка к фоновой. Химическое воздействие проявляется в основном в биоморфологических показателях хвои сосны.

На рисунке изменение по градиенту воздействия численности подроста древесных видов.

Так изменяется по градиенту воздействия состояние древесного подроста.

Далее на рисунке изменения состояния подроста дуба черешчатого по градиенту воздействия.

На фитоценотическом уровне индикаторами загрязнения выступают видовая и экологическая структура, спектр жизненных форм. Под воздействием загрязнения растительный покров претерпевает изменения, выражающиеся в смене видового состава и спектра жизненных форм фитоценозов по градиенту воздействия. Так, видно, что по мере приближения к источнику выбросов происходит трансформация спектра жизненных форм: появляются терофиты, снижается участие фанерофитов, повышается роль гемикриптофитов. Спектр жизненных форм растительности, наблюдаемый вблизи источника выбросов, характерен для нарушенных олуговевших лесов.

Изменение представленности (в % от  общего числа видов) терофитов  фанерофитов по градиенту воздействия – на рисунках.

Растительность сосновых лесов зоны влияния химического завода включает виды нескольких классов растительности, соотношение которых позволяет судить об уровне нарушенности этих экосистем. Сообщества ненарушенных сосновых лесов характеризуются высокой представленностью видов лесных классов Querco-Fagetea Br.-Bl. et Vlieger in Vlieger 1937 em. Klika 1939 и Vaccinio-Piceetea Br.-Bl. in Br.-Bl., Siss. et Vlieger 1939 эколого-флористической классификации Браун-Бланке. Описания лесов, находящихся на расстоянии более 2 км от источника выбросов, диагностированы нами как ассоциация Querco roboris-Pinetum J.Mat. 1981 союза Dicrano-Pinion Lbb. 1933 порядка Cladonio-Vaccinietalia K.-Lund 1967 класса Vaccinio-Piceetea.

Под воздействием химического стресса участие видов лесных классов уменьшается, а возрастает участие видов синантропных классов растительности (Artemisietea vulgaris Lohm., Prsg. et Tx. in Tx. 1950 em Kopecky in Hejny et al. 1979; Agropyretea repentis Oberd., Th. Muller et Gors in Oberd. еt al. 1967), а также луговой растительности (Molinio-Arrhenatheretea R.Tx. 1937 em. R.Tx. 1970).

Видно, что фитоценозы, находящиеся на расстоянии до 1,5 км от источника выбросов, характеризуются значительной представленностью видов класса луговой растительности Molinio-Arrhenatheretea; представленность видов лесных классов составляет всего лишь 10-15%.

Изменение представленности видов лесных (Querco-Fagetea и Vaccinio-Piceetea) и лугового (Molinio-Arrhenatheretea) классов растительности по градиенту воздействия на рисунке.

Для выяснения связи между различными характеристиками экосистем и воздействием выбросов применялся корреляционный анализ. Были рассчитаны коэффициенты корреляции между расстоянием от источника выбросов и  такими показателями как численность естественного возобновления, густота подлеска, проективное покрытие травяного яруса и т.д. Установлено, что между расстоянием от источника выбросов и многими характеристиками экосистем существует достаточно сильная связь. Это связано с тем, что уровень загрязнения атмосферы выбросами обратно пропорционален расстоянию от источника. По мере приближения к источнику выбросов достоверно снижается численность естественного возобновления, густота подлеска и, наоборот,  увеличивается сухостой в подлеске, в древесном ярусе и т.д.  Так, например, коэффициент ранговой корреляции Спирмена между расстоянием от источника выбросов и сухостоем в древесном ярусе составил –0,73 (р<0,01); между расстояние от источника и   численностью естественного возобновления - +0,71 (р<0,01).

Корреляционный анализ позволил установить достоверную связь между расстоянием от источника выбросов и значениями биоморфологических показателей. Так, достоверная положительная корреляция наблюдается между расстоянием от источника выбросов и  такими характеристиками, как возраст хвои (коэффициент корреляции Пирсона составил  0,55, при р<0,01),  длина верхушечного прироста (0,54, при р<0,01), длина двухлетней хвои (0,52, при р<0,01), численность двухлетней хвои (0,57, при р<0,01, длина однолетней хвои (0,45, при р<0,01), численность однолетней хвои (0,60, при р<0,01).

Результаты, полученные на основе выполненных исследований, показывают, что индикаторами химической трансформации лесного ландшафта служат следующие показатели:

характеристики состояния популяции сосны (усыхание, биоморфологические показатели хвои);

видовой состав, численность и поврежденность подроста и подлеска;

спектр жизненных форм растительности;

фитоценотическая структура растительности.

Комплексный анализ этих показателей позволяет выполнить экспресс-оценку состояния лесного ландшафта, находящегося в условиях химического загрязнения атмосферы.

Подробнее в работах:

Гусев А.П. Индикаторы трансформации лесного ландшафта в зоне химического загрязнения атмосферы // Природные ресурсы. – 2001. - №3. – С. 112-116.

Гусев А.П. Индикаторы деградации лесных ландшафтов Белорусского Полесья в зоне влияния химического производства // География и природные ресурсы. – 2005. – №4. – С. 145-147.

Гусев А.П. Фитоиндикаторы загрязнения атмосферы в зоне влияния химического производства // Вестник Белорусского государственного университета. Сер. 2. Химия. Биология. География. – 2006. - №2. – С. 105-109.