Растения как индикаторы состояния урбанизированных экосистем Текст научной статьи по специальности «Сельское хозяйство, лесное хозяйство, рыбное хозяйство»

Ml

Til

\ 1 m>J

УДК 502.52:581.5

Щербатюк Андрей Петрович Andrey Shcherbatyuk

РАСТЕНИЯ КАК ИНДИКАТОРЫ СОСТОЯНИЯ УРБАНИЗИРОВАННЫХ ЭКОСИСТЕМ

PLANTS AS INDICATORS OF THE STATUS OF URBAN ECOSYSTEMS

Представлены основные показатели загрязнения атмосферного воздуха токсичными веществами и вредными веществами (ТВ и ВВ) и их влияние на различные виды растений. Составлена таблица основных растений-индикаторов из числа древесных пород и сельскохозяйственных растений. Рассмотрены индикаторы присутствия различных ТВ и ВВ в атмосфере, а также наиболее и наименее устойчивые породы деревьев и растений к загрязнениям. Даны рекомендации по созданию парков и скверов, привязанных к ландшафту и размещенных особым способом, которые могут быть активными проводниками чистого воздуха в центральные районы города

Ключевые слова: индикаторы, хвоя, лишайник, древесные породы, оксиды, диоксид серы, хлор, парки, скверы

The article presents the main indicators of air pollution by toxic substances and hazardous substances (TV and BB) and their effects on different species of plants. The table of the main plants — indicators of the number of tree species and agricultural plants is compiled. The indicators of the presence of a variety of TV and exhaust in the atmosphere, as well as the best and least resistant species of trees and plants to pollution are considered. Recommendations are given for the creation of parks and squares, tied to the landscape and placed in a special way, which may be active promoters of clean air in the Central areas of the city. The quality of air masses are significantly improved if they pass over parks and gardens

Key words: indicators, needles, moss, tree species, oxides, sulfur dioxide, chlorine, parks, public gardens

Атмосфера, как защитная оболочка Земли, имеет важное значение для жизнедеятельности человека. Она предотвращает резкие колебания температуры, сдерживает поступление ультрафиолетового излучения, является источником снабжения растений углекислым газом, необходимым для фотосинтеза, и кислородом — для дыхания, оказывает воздействие на растения, меняя распределение температур и света, служит средой для распространения пыльцы, спор, семян и плодов.

Чистый атмосферный воздух представляет собой смесь нескольких газов. Воздух никогда не бывает сухим, в нем всегда присутствуют пары воды. Иногда их количество в воздухе варьирует 4...0,01 % от общего объема.

Важной частью в жизни растений являются различные примеси, содержащиеся в воздухе, многие из них губительно действуют на растения, например, диоксид серы, который встречается в атмосфере над промышленными центрами, т.е. в местах интенсивной работы теплоэнергетики и автотранспорта. Этот газ крайне неблагоприятен для растений. Попадая в их клетки, он нарушает ферментативную деятельность, вызывает свертывание коллоидов плазмы, нарушает обмен веществ [2].

Некоторые растения наиболее чутко реагируют на характер и степень загрязнения атмосферы ТВ и ВВ.

Это означает, что они могут служить живыми индикаторами состояния окружающей среды. Индикаторные растения

могут использоваться как для выявления отдельных ТВ и ВВ, так и для оценки качественного состояния природной среды. Количество присутствующих в воздухе ТВ и ВВ измеряют различными методами, например, испытанием растений в лабораторных условиях.

На уровне вида и сообщества о состоянии природной среды можно судить по показателям продуктивности растений. Индикаторами присутствия диоксида серы, например, являются лишайники и хвойные породы, наиболее сильно страдающие от загрязнений. Во многих промышленных городах вокруг заводов возникают зоны, где лишайники вообще отсутствуют — «лишайниковые пустыни» [2, 3]. Хвоя сосны образует на своей поверхности тем больший толстый слой воска, чем выше концентрация или продолжительнее действие на нее диоксида серы. На этом основании разработан метод индикации в атмосфере диоксида серы — «тест помутнения по Гертелю». Суть метода заключается в том, что определенное количество хвои кипятят в воде. Принимается, что степень помутнения экстракта прямо пропорциональна количеству воска, покрывающего хвою. Чем выше мутность, устанавливаемая с помощью приборов, тем больше концентрация диоксида серы в воздухе. Другой признак действия диоксида серы на растения — снижение рН содержимого клеток [2, 3].

Весь комплекс экологических факторов сказывается на биосинтезе пигментов, изменяя окраску различных частей растения. Этот биоиндикатор может оказаться наиболее информативным. Тяжелые металлы могут накапливаться в растениях, и по их содержанию можно оценить экологическую обстановку территории. Загрязнение медью сказывается на росте растений, цинком — приводит к отмиранию листьев у растений, кобальтом — к патологическому развитию и т.д. Индикаторами присутствия фтора являются чувствительные растения, накапливающие его и реагирующие на этот фитотоксикант некрозом листьев (гладиолусы, фрезия) [2, 3].

В редное влияние загрязненного воздуха на растения происходит как путем прямого действия ТВ и ВВ на ассимиляционный аппарат, так и путем косвенного воздействия через почву. Причем прямое действие окисей приводит к отмиранию отдельных органов растений, ухудшению роста и урожайности, а также качества сельскохозяйственной продукции. Накопление же вредных веществ в почве способствует уменьшению почвенного плодородия, засолению почв, гибели полезной микрофлоры, нарушению роста, отравлению корневых систем и нарушению минерального питания. Аккумуляция оксидов в экосистеме идет с участием трех компонент: растительности, почвы и влаги. В зависимости от погодно-климатических условий, солнечной радиации и влажности почв может изменяться поглотительная способность и удельный вес этих компонент. Загрязнение атмосферы приводит к значительному повреждению растительности [5].

Оксиды, нарушая рост и развитие растений ( неоднократная смена листьев, вторичный рост побегов, а иногда и вторичное цветение), могут снижать устойчивость их к другим неблагоприятным факторам: засухе, заморозкам, засолению почв. Повреждения делят по характеру их проявления и изменению физиолого-биохимических процессов у растений на острые (катастрофические) , хронические и невидимые. Различают пять степеней повреждения растений диоксидом серы в зависимости от концентрации его и продолжительности поглощения листьями: отсутствие повреждений, скрытые, хронические, острые и катастрофические.

Активации повреждаемости растений окисями способствует повышенная температура, влажность воздуха и солнечная радиация, т.е. факторы, повышающие газообмен и поглощение токсичных веществ. При пониженной освещенности и ночью повреждаемость растений уменьшается.

Прекращение газообмена зимой у хвойных пород также предохраняет их от повреждений.

Исследования показали, что зеленые растения более чувствительны к различным

ТВ и ВВ, чем животные и человек. Допустимая максимально-разовая концентрация SO2 для растений оказалось равной 0,02 мг/м3 (для животных и человека — 0,05 мг/ м3). Большая чувствительность растений связана с большей скоростью проникновения ТВ и ВВ и автотрофным характером их метаболизма[5].

Процесс воздействия начинается с поступления в клетку, далее — на растительный организм и, в конечном счете — на растительные сообщества в целом [5].

Хвойные породы особенно сильно страдают от диоксида серы: пихта (Abies Mill), ель (Picea Dietr), сосна обыкновенная (Pinus sivestris L.), лиственница (Larix L.). Продолжительность жизни хвои сосны в зонах сильного загрязнения диоксидом серы составляет один год, тогда как в норме 3...4 года. Путем учета продолжительности жизни хвои и характера некрозов можно определить степень поражения хвойных насаждений диоксидом серы. Важным критерием для этого является также содержание хлорофилла. Хвоя сосны образует на своей поверхности тем более толстый слой воска, чем выше концентрация или продолжительнее воздействие на нее диоксида серы. Это обстоятельство послужило основанием для разработки присутствия в атмосфере данного соединения. Очень вреден для растений хлор, часто присутствующий в воздухе вблизи специализированных заводов. Отдельно взятые деревья ивы, тополя и ясеня, имеющие как минимум 5 кг листьев, способны поглотить за вегетационный период 200...250 г хлора, кустарники - 100.150 г.

Лох узколистный (Eleagnus angustifolia L.), шелковица (Morus L.), акация белая (Acacia Wild) способны накапливать до 1 % хлора, оставаясь неповрежденными. Основными источниками загрязнения атмосферы в подавляющих промышленных районах являются электростанции, работающие на угле, предприятия угольной промышленности, строительно-сборочные заводы, работающие на известковом сырье, нефтеперерабатывающие и другие заводы, отопительные системы, а также автотранспорт [6].

Большая опасность попадания в природную среду ТВ и ВВ возникает в процессе проведения военных операций. Среди веществ, загрязняющих воздух, особенно большое значение имеют диоксид серы, галогены и их соединения, озон, оксиды азота, оксиды углерода, сероуглерод, сероводород, аммиак, этилен, а также твердые пылевые частицы, содержащие металлы и их соединения. Промышленные предприятия выбрасывают в атмосферу такое количество газов или мелких частиц во взвешенном состоянии, что под угрозой оказалось здоровье человека, природа и хозяйство. К примеру, зола, которая поступает в атмосферу с выбросами заводов, оказывает прямое воздействие на урожай сельскохозяйственных культур. Замечено существенное снижение урожая под действием промышленных выбросов у большинства изученных сельскохозяйственных культур и многих видов растений, которых специалисты делят на группы в зависимости от степени их чувствительности к тому или иному загрязняющему веществу.

Сильное воздействие оказывают на растения так называемые «отработавшие газы». Разные растения неодинаково реагируют на ТВ и ВВ. Наименее устойчивы хвойные породы: пихта ( Abies Mill) , ель (Picea Dietr), сосна (Pinus L.), лиственница (Liarix L.), можжевельник казацкий (Juniperus Sabina L.), туя западная (Thuja occidemtalis L.).

Более устойчивы — листопадные деревья и кустарники: бук (Fagus L.), дуб (Quercus L.), клен Acer L.), липа (Tilia L.), ясень (Fraxinus L.), груша (Pynus L.), вяз (Ulmys L.), береза (Betula L.), рябина (Sorbus L.), тополь канадский (Populus deltoids Marsh), акация (Akacia Wild) [3,4].

Живые организмы, по наличию, состоянию и поведению которых можно судить о степени изменений окружающей среды, в том числе о присутствии ТВ и ВВ, также являются живыми индикаторами. Живые индикаторы имеют существенные преимущества перед применением дорогостоящих и трудоемких физико-химических методов

определения степени загрязнения среды: они суммируют, все без исключения, биологически важные данные о загрязнениях, указывают скорость происходящих изменений, пути и места скоплений в экосистемах различного рода токсикантов, позволяют судить о степени вредности тех или иных веществ для живой природы и человека.

Антропогенное загрязнение влияет на высшие растения, часто приводя к окраске листьев, некрозу, опадению листвы, изменению формы роста и ветвления и др. Так, при загрязнении атмосферы диокси-

Полагается, что снижение урожая прямо пропорционально количеству погибшей листвы и может служить основанием для оценки величины компенсации за понесенные убытки.

Из таблицы видно, что наиболее чувствительными к различным загрязнителям воздуха являются хвойные породы, которые особенно страдают от диоксида серы. Из декоративных растений наиболее достоверными индикаторами на фтористый водород являются тюльпан (Tulipa L.), нарцисс (Narcissus L.), ландыш (Conval-laria L.). Хорошими индикаторами на озон служат наиболее чувствительные сорта табака, томаты, цитрусовые.

Приведенные биоиндикаторы можно использовать при контроле состояния окружающей среды и при природоохранных

дом серы типичными признаками повреждения являются: у сосны обыкновенной (Ртш silvestris L.) побурение кончиков игл хвои, у ясеня американского ^гахтш AmericanaL.) — обширное междужилковое обесцвечение листьев и т.д.

На основе приведенных исследований составлена таблица, где представлены основные растения-индикаторы загрязнения атмосферного воздуха различными компонентами (диоксид серы, фтористый водород, аммиак и т.д.) [4].

мероприятиях, в частности, в лесном хозяйстве, с учетом влияния антропогенных загрязнений атмосферного воздуха [5].

Эффективным средством борьбы с загрязнением атмосферного воздуха ТВ и ВВ является создание систем парков и скверов, привязанных к ландшафту и размещенных особым способом [7, 8, 9].

Над парками и скверами возникают нисходящие потоки воздуха, потому что поверхность листьев значительно прохладнее асфальта и железа. Пыль, увлекаемая нисходящими токами воздуха, оседает на листьях: 1 га деревьев хвойных пород задерживает за год до 40 т пыли, а лиственных — около 100 т. Парки и скверы, привязанные при строительстве к рельефу, могут быть активными проводниками чистого воздуха в центральные районы горо-

Основные растения-индикаторы загрязнения атмосферного воздуха

Компоненты загрязнения Важнейшие древесные породы Сельскохозяйственные и декоративные растения

Диоксид серы Ель (европейская, сербская), пихта европейская, сосна (обыкновенная, Банкса) Пшеница, ячмень, гречиха

Фтористый водород Ель европейская, пихта европейская, сосна обыкновенная, орех грецкий Виноград, абрикос, петрушка, гладиолус, ландыш, тюльпан, нарцисс, рододендрон

Аммиак Граб обыкновенный, липа сердцевидная Сельдерей, маховка

Хлористый водород Ель европейская, пихта кавказская, лиственница европейская, ольха клейкая, лещина обыкновенная Фасоль обыкновенная, шпинат, редис, смородина, клубника

Озон Сосна Беймутова Табак, картофель, соя, томаты, цитрусовые

Тяжелые металлы Теуга канадская, вяз гладкий, боярышник обыкновенный Овсянина, орхидея, бромелиевые

да. Качество воздушных масс значительно улучшается, если они проходят над парками и скверами. При этом количество взвешенных примесей снижается на 10.40 %. Практика показала, что это является достаточно эффективным средством борьбы с вредными выбросами автомобильного транспорта, эффективность которых может варьироваться в довольно широких пределах — 7.35 % [1, 10].

Таким образом, использование растений как индикаторов состояния урбанизированных экосистем и проведение мероприятий по созданию систем парков и скверов, привязанных к ландшафту и расположенных особым образом, создает условия к проведению дополнительного мониторинга окружающей среды и улучшению ее экологического равновесия.

Литература

1. Воробьев А.Е. Основы природопользования: экологические, экономические и правовые аспекты / Под ред. проф. В.В. Дьяченко. Ростов н/Д.: Феникс, 2006.

2. Вронский В.А. Прикладная экология. Ростов н/Д., 1996.

3. Викторов С.В., Востокова Е.А., Вышивкин Д.Г. Основы индикационной геоботаники. М., 1961.

4. Гудериан Р., Мэннинг У., Шуберт Р. Загрязнение воздушной среды. М.: Мир, 1973.

5. Николаевский В.С. Биологические основы газоустойчивости растений. Новосибирск: Наука, 1979. 278 с.

6. Протасов В.Ф. Экология, здоровье и охрана окружающей среды в России. М., 2000.

7. Щербатюк А.П Защита атосферного воздуха городов от загрязнения отработавшими газами автомобилей в летнее время в условиях сложного рельефа // Вестник ЗабГУ. Чита: ЗабГУ, 2012. № 1 С. 52-59.

8. Щербатюк А.П. Способ снижения загрязнения атмосферного воздуха городов выбросами автомобильного транспорта в условиях сложного ландшафта с помощью зеленых насаждений: матер. междунар. конф. // Кулагинские чтения. Чита: ЗабГУ, 2012. Ч. III. С. 136-138.

9. Щербатюк А.П. Анализ влияния рельефа местности и температурных инверсий на загрязнение атмосферного воздуха в городах, расположенных в регионах с резкоконтинентальным климатом: матер. всерос. конф. // Приоритетные направления развития науки и технологий. Тула: ТулГУ, 2010. С. 5-9.

10. Щербатюк А.П., Заслоновский В.Н. Зависимость экосистем городов от сложного ландшафта: Межд. сб. Прага, 2013.

Коротко об авторе_

Щербатюк А.П, канд. техн. наук, доцент кафедры «Техносферная безопасность», Забайкальский государственный университет Раб. тел.: 8(3022) 36-40-92

Научные интересы: геоэкология

_Briefly about the author

A. Shcherbatyuk, Candidate of Engineering Sciences, associate professor, Techno-spheric security department, Zabaikalsky State University

Scientific interests: geoecology