Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Современное состояние проблемы исследований 9
Глава 2 Район, объект и методы исследований 22
2.1. Природно-климатические и синоптико-метеорологические условия района исследований 22
2.2. Характеристика хозяйственной деятельности территории АМО 32
2.3. Объекты и методы исследований 37
2.3.1. Методика определения повреждений и индекса повреждений ассимилирующих органов (листовых пластинок) 37
2.3.2. Методика определения флуктуирующей асимметрии 42
2.3.3. Определение барьерных свойств растительных объектов 50
Глава 3 Оценка состояния растительного покрова территории г. Ангарска по степени повреждения листовых пластинок 51
3.1. Определение индекса повреждений листовых пластинок 51
3.2. Разработка квалиметрической шкалы повреждений (дехромации) листьев 73
Глава 4 Оценка состояния растительного покрова территории по флуктуирующей асимметрии листовых пластинок 80
4.1. Флуктуирующая асимметрия листьев березы повислой 80
4.2. Флуктуирующая асимметрия хвои сосны обыкновенной 96
Глава 5 Оценка барьерных свойств древесных растений и растительного покрова урботерритории 103
5.1. Экспериментальное определение барьерных свойств древесных растений 103
5.2. Моделирование изменений концентрации поллютанта выброса с учетом барьерной функции растительного покрова 113
5.2.1. Воздухообменные процессы исследуемой урбанизированной территории 116
5.2.2. Модель точечного источника выброса как объект учета барьерных свойств растительного покрова 119
5.2.3. Кинетическая модель как объект учета барьерных свойств растительного покрова 125 5.3. Характеристика экологической компенсации загрязнения атмосферы растительным барьером 131
Заключение 136
Выводы 141
Библиографический список
- Характеристика хозяйственной деятельности территории АМО
- Разработка квалиметрической шкалы повреждений (дехромации) листьев
- Флуктуирующая асимметрия хвои сосны обыкновенной
- Моделирование изменений концентрации поллютанта выброса с учетом барьерной функции растительного покрова
Характеристика хозяйственной деятельности территории АМО
Территория Ангарского муниципального образования (АМО) является частью территории Иркутской области и находится в междуречье реки Ангара и ее притока – реки Китой. Удаленность территории Иркутской области от морских побережий и ее нахождение в центре Азиатского материка обусловливает резко континентальный характер климата, который отличается большими значениями годовых амплитуд положительных и отрицательных температур, относительно небольшим количеством осадков. В зимний период отмечается господство мощного сибирского антициклона с характерной малоподвижностью воздуха, приземными температурными инверсиями и небольшой влажностью. Следствием господства сибирского антициклона является преобладание ясной, морозной, почти безветренной погоды зимой и жаркой, чередующейся с ненастьями – летом. Во второй половине лета характерно образование над территорией региона области пониженного давления и изменение погоды: появление облачности и выпадение осадков [47].
На всей территории Иркутской области господствует перенос воздушных масс в северо-западном направлении, также существенен и юго-восточный перенос. Направление и скорость ветра преобладающего направления (среднегодовая – 2-3 м/с) обусловлена сложностью орографии территории области и распределения атмосферного давления [88, с.16].
Средние годовые температуры воздуха составляют около минус 2оС. Самый холодный месяц – январь (среднемесячная температура изменяется в пределах от минус 17 до минус 24оС), а самый теплый – июль (17-19оС). Осадки неравномерно распределены в пространстве и во времени. Их среднегодовое количество составляет 380–480 мм. Годовой максимум осадков отмечается в июле–августе, а мини 23 мум – в феврале–марте. Небольшая высота снежного покрова (в среднем 30 см) и низкие зимние температуры способствуют глубокому промерзанию почв.
Территория Иркутской области, занята таежными лесами, но ее южные районы покрыты лесостепной растительностью. Лесостепные участки протянулись широкой полосой вдоль Транссибирской магистрали и далее через Ангаро-Ленский водораздел идут к водоразделу между рекой Леной и верхним течением реки Киренги. В лесах Иркутской области преобладают хвойные породы (сосна, лиственница, кедр, пихта, ель), причем хвойные леса занимают более 90% лесо-покрытой площади области.
Ангарское муниципальное образование и г. Ангарск расположены в юго-западной части Иркутской области и относится к самым освоенным территориям региона, что связано с выгодным транспортно-географическим положением, близостью к областному центру. Через территорию муниципального образования проходит Транссибирская железнодорожная магистраль и Московский тракт. Район также имеет речную транспортную связь по р. Ангара с северными насе-лнными пунктами Иркутской области. Муниципальное образование включает в себя город областного значения – Ангарск, численность населения которого в 2006 г. составляла 245,7, а в 2011 – 233,6 тыс. человек.
Лесная зона г. Ангарска и его окрестностей формирует естественный растительный покров этой территории или природный каркас территории. Природный каркас территории включает в себя отдельные массивы сосновых лесов с примесью лиственных пород (береза и осина). Эти леса относятся к условно коренным с доминированием в основном ярусе древостоя сосны. В результате действия антропогенного фактора природный каркас территории претерпел структурные и пространственные изменения, которые привели к преобладанию одноярусного древостоя, относительно низкой степенью сомкнутости крон, слабой выраженностью подлеска, свидетельствующей о нарушении возобновляемости насаждений сосны и древесной растительности в целом.
В конце 90-х гг. проводилось дендрологическое обследование растительности центральной части г. Ангарска, выполненное под руководством агронома 24 дендролога МУП «Флер» А.В. Мещерякова, которое в отношении широко распространенного на территории города тополя выявило массовое его повреждение тополевой молью-пестрянкой, что обусловливало преждевременное опадение листьев и ослабление деревьев. Тополя подвергались периодической обрезке кроны (так называемому «омоложению»), но существенного эффекта, связанного с улучшением состояния деревьев, так и не было получено. В настоящее время эти древесные растения частично удалены.
В отличие от тополей небольшое количество берез, растущих в центральной части города, большинство из которых выросло в результате хаотичной посадки жителями города молодых березок, по данным дендрологического обследования в целом на тот момент имело удовлетворительное состояние. Согласно данным дендрологического исследования, естественные насаждения сосны, оставленные при строительстве города, характеризовались неудовлетворительным состоянием из-за стесненных условий произрастания (корневая система изолирована асфальтовым покрытием, фундаментами зданий, коммуникациями), действия поллютан-тов промышленных выбросов и автотранспорта. Устьица хвои забиты пылью и вредными химическими соединениями. Сосны, растущие в таких условиях, в основном были поражены гнилями корневой системы и суховершинностью, а стволы имели различные механические повреждения.
Пассивная экологическая компенсация, как инструмент охраны окружающей среды любой территории, включает в себя учет особенностей местности при размещении на ней источников загрязнения. Территория Российской Федерации условно разделена на пять зон с различным потенциалом загрязнения атмосферы [7, 54]. Потенциал загрязнения атмосферы (ПЗА) представляет собой сочетание метеорологических факторов, обусловливающих уровень возможного загрязнения атмосферы при фиксированных выбросах. Различают метеорологический и климатический ПЗА. Первый используется в ежедневных метеопрогнозах загрязнения атмосферы, а второй – при оценках климатических условий переноса и рассеивания загрязняющих веществ в определенном физико-географическом районе. Поэтому второй ПЗА характеризует способность природных условий территории рассеивать и ассимилировать (связывать) загрязнения. При этом максимальная способность ассимилировать загрязнения, попадающие в окружающую среду, соответствует низкому потенциалу загрязнения. Погодно-климатические особенности территории, характеризующиеся преобладанием безветрия и антициклоническим типом погоды в определенные периоды года, позволяют относить их к территориям с высоким или очень высоким (опасным) потенциалом загрязнения атмосферы.
Разработка квалиметрической шкалы повреждений (дехромации) листьев
Для измерения флуктуирующей асимметрии листовых пластинок эдифици-рующих древесных пород использовали те же самые побеги, что и для определения индекса повреждения их ассимилирующей поверхности. При этом с помощью фотокамеры (марка Samsung L73; 7,2 Мп) снимали изображение листовых пластинок, которые перед съемкой рядами раскладывали на белой бумаге, фиксируя при фотографировании этикетку с указанием места сбора, даты и экспозиции побегов. Побеги хвои сосны использовали для непосредственных измерений ее длины, хвою сосны фотографировали или измеряли непосредственно, учитывая ее возраст, выделяя отдельно хвою сосны первого года жизни, второго и последующих лет жизни. Фотографии распечатывались на специальном принтере и использовались для измерения длины хвои сосны.
Определение флуктуирующей асимметрии с использованием фотоснимков листовых пластинок было обусловлено тем, что условия их хранения (например, в холодильнике в полиэтиленовом пакете), фиксация или гербаризация влияли на величину показателей, характеризующих морфологические признаки [72]. При необходимости использования ФА, полученной на фиксированном материале, рекомендуется пользоваться коэффициентами, характеризующими степень деформации и уравнениями ее зависимости от сроков хранения.
Все измерения выполняли на фотоснимках, используя измерительные инструменты: штангенциркуль, транспортир, курвиметр для измерения длины хвои сосны. Расстояние между жилками, их длина измерялась с точностью до 0,5 мм, углы промерялись с точностью до 1 градуса. Измеряемые показатели вносились в таблицы, составленные в программе Excel. Общее количество листьев, на которых были измерены параметры флуктуирующей асимметрии, составляло в 2002 г. 1108 штук (5540 измерений), в 2010-2011 гг. - 842 штуки (2374 измерения) и в 2012 г. - 1012 штук (5060 измерений). В этой же программе проводилась и первичная статистическая обработка материалов. Более детальная статистическая обработка материалов выполнялась с использованием программы Statistica v5.5.
Определение барьерных свойств растительных объектов Для определения барьерных свойств растительных побегов в течение 2009-2011 гг. была выполнена серия опытов в стеклянных эксикаторах, закрывающихся притертой крышкой с отверстием в верхней ее части. При определении барьерных свойств растительных побегов в качестве поллютанта выбрали диоксид серы.
Выбор этого поллютанта был обусловлен тем, что на территории промзоны г. Ангарска действуют такие предприятия, как Химический завод ОАО «АНХК», ТЭЦ-9 и ТЭЦ-10 ОАО «Иркутскэнерго», которые при производстве серной кислоты и сжигании углей с относительно высоким содержанием серы в достаточно большом количестве выбрасывают SO2 в атмосферу г. Ангарска [28-33]. При этом анализ программ природоохранных мероприятий Химического завода ОАО «АНХК» и ТЭЦ-10 ОАО «Иркутскэнерго» последнего десятилетия показал их нацеленность в первую очередь на меры по снижению выбросов диоксида серы.
На дне стеклянных эксикаторов объемом 7 л, закрывающихся притертой крышкой с отверстием в верхней ее части, размещали реактивы: сульфит натрия и 80% раствор серной кислоты. В результате их химического взаимодействия выделялся диоксид серы [81]: Na2S03+H2S04=Nа2S04+H20 +S021. (7)
Опыты проводили с разными навесками соли (сульфита натрия), из которой получали диоксид серы. При этом верхний предел теоретических концентраций SO2, создаваемых в опытах при навесках соли 240 мг, был меньше 0,5% по объему. Это примерно на порядок ниже концентраций диоксида серы, при которых может произойти химическое заражение приземного слоя воздуха в поражающих человека дозах, составляющих 5,5-7,4% об. В опытах крышку эксикатора плотно закрывали, предварительно промазывая ее края вазелином. Перед началом опыта в отверстие в крышке вставлялась пробка с плотно вставленным в нее пластиковым наконечником, на который натягивался небольшой кусок шланга, который прочно закрывался зажимом. Через конец шланга из эксикатора брали пробу воздуха шприцем объемом 100 мл, ее переносили в поглотительный прибор Рыхтера, заполненный поглотительным раствором. Содержимое пробирок встряхивали, через 15 минут определяли оптическую плотность растворов. В качестве поглотительного раствора использовали 0,3% – ый раствор перекиси водорода. Для этого 10 мл 30% –ной перекиси водорода (Н2О2) растворяли в 1 л воды. Полученный 0,3% – ый раствор перекиси водорода хранили в тмном стекле.
Сущность метода состоит в окислении сернистого газа в процессе его улавливания из воздуха 0,3% раствором перекиси водорода с последующим турбиди-метрическим определением образующегося сульфат – иона с хлоридом бария [67]. Предел чувствительности метода позволяет определять концентрации двуокиси серы в диапазоне от 0,08 до 1,5 мг/м3. Диапазон концентраций измеряемых в эксикаторах составлял 0,295–1,475 мг/м3. Экспозиция опытов составляла 10 минут. Были проделаны опыты и с большей экспозицией (20 мин, 1 час, сутки).
Флуктуирующая асимметрия хвои сосны обыкновенной
Однако различия между Iповр, найденными для хвои кроны каждой из сосен с разных сторон света и оцененными по коэффициенту Стьюдента, в большинстве своем оказались статистически не значимыми. Также и между сосной 1 и сосной 2 не было выявлено существенных различий по величине Iповр в зависимости от ориентации кроны по сторонам света (таблица 14). При этом у каждого из исследованных деревьев максимум Iповр отмечался с западной, а минимум – с южной стороны кроны. Только у сосны 2 с западной стороны Iповр имел достоверные различия при р 0,05 по сравнению с Iповр для других сторон света. При этом у обеих сосен Iповр с севера и запада, т.е. фактически со стороны преобладающего С–З направления ветров, превышал Iповр, рассчитанный для других сторон света. Это, по-видимому, было отражением сложности процессов воздухообмена на исследуемой территории: рассеивания выбросов действующих источников загрязнения ур-ботерритории г. Ангарска, с одной стороны, и транзита выбросов источников, находящихся на других территориях и поступающих с ветровыми потоками на территорию г. Ангарска в соответствии с розой ветров, – с другой.
Визуальное обследование листовых пластинок березы повислой показало, что их повреждения были результатом действия не только химического фактора, но и биотических взаимодействий, что согласуется с данными литературы [58, 84]. Напротив, повреждения хвои сосны в меньшей степени были связаны с биотическими взаимодействиями, а в большей – с действием поллютантов, попадающих с выбросами в атмосферу. Большое количество повреждений насекомыми листовых пластинок тополя, березы и других видов древесно-кустарниковых растений было следствием потери устойчивости из-за непрерывного насыщения жизненного пространства растений (атмосферы и педосферы) загрязняющими веществами.
Исследование повреждений листовых пластинок древесных растений, произрастающих на урбанизированной территории г. Ангарска, убедило в необходимости специального подбора древесных пород, обладающих высокими качествами газоустойчивости. Это в значительной мере было обусловлено и тем, что по результатам работы в 1998-2001 гг. с методом омолаживающей обрезки деревьев, не было получено повышения их устойчивости, и этот метод в сложившихся условиях был признан как неэффективный. Поэтому определить, какие виды газоустойчивых пород древесно-кустарниковой растительности наиболее целесообразно отдельным урбоэкологическим элементам зеленого выращивать на территории г. Ангарска, является для него актуальной и сейчас. При этом в свое время предпринималась попытка разработки программы озеленения г. Ангарска, в рамках которой рассматривалось восстановление растительно 73 сти по каркаса города и обосновывалось создание питомника для выращивания посадочного материала.
Наиболее типичными повреждениями ассимилирующих органов (рисунок 7,8) не исчерпывался весь спектр наблюдаемых их видов. Наряду с общими видами повреждений листьев растительного покрова, например, хвои сосны [50, 91, 125] по-видимому, не исключены и специфические повреждения, характерные для той или иной урботерритории, обусловленные особенностями состава выбросов загрязняющих веществ [100]. Каждый исследователь повреждений листовых пластинок формирует собственную шкалу изменения характера или силы повреждений (квалиметрическую шкалу), используя которую проводит оценку состояния поверхности ассимилирующих органов и их качества. Опираясь на качество листовой поверхности, можно предполагать, какой ущерб фотосинтетической функции растений, был причинен сформировавшимися под действием антропогенных факторов ее изъянами.
Следует отметить, что визуальная оценка состояния ассимилирующих органов древесных растений с выявлением особенностей их повреждений активно используется в связи с различными целями [80, 88]. Хотя у визуальной оценки есть преимущества и недостатки, связанные с трудностью определения промежуточных состояний признака, тем не менее, именно на нее опирается интенсивно развивающаяся в последние годы автоматизированная оценка состояния растительных объектов [55, 80]. Подобные автоматизированные системы, связанные с анализом изображений (фотографий), используют квалиметрические шкалы, разработанные на основе эталонных фотоснимков [80], выбор и отнесение которых к эталону изначально было сделано на основе вс того же субъективного подхода.
Отдельные виды дехромации хвои сосны, то есть изменения естественного цвета листовых пластинок, выявленные на территории г. Ангарска, включали в себя, во-первых, хлоротичные пятна и хлоротичные пояски (один, два, несколько, много), хлоротичный кончик хвоинки. Во-вторых, мелкие некрозы и относительно крупные некротические пятна (одно, два, несколько, много). Отмечался также и такой вид повреждения хвои сосны, как сухой кончик иглы (едва заметный, или порядка 5 – 10 мм).
Основным критерием разработки квалиметрической шкалы повреждений служило сочетание шести выделенных видов повреждений листьев. В таблице 15 представили квалиметрическую шкалу повреждений ассимилирующих органов древесных растений.
Моделирование изменений концентрации поллютанта выброса с учетом барьерной функции растительного покрова
В дальнейшем полученные зависимости использовали для количественной оценки барьерных свойств растительного покрова, находящегося в пределах изучаемой урботерритории. Моделирование изменений концентрации поллютанта с учетом барьерной функции растительного покрова
Как известно [63], моделирование является методом исследования, в котором объект исследования заменяется его моделью. С помощью такого подхода делается попытка изучить сам объект. Моделирование является универсальным методом, характер которого мало зависит от области и объекта исследования, поэтому метод моделирования применим в разных отраслях научного познания.
Математическое моделирование часто делится на четыре этапа. Первый этап предполагает выяснение основных определенных закономерностей исследуемого реального явления; второй-упорядочение полученных закономерностей в формализованную схему, которая представляется с помощью языка выбранного математического аппарата. Третий этап состоит из анализа полученной системы уравнений приемами математических теорий и с использованием соответствующих программ. На четвертом этапе имеет место интерпретация полученных формальных результатов относительно реального объекта. Эта последовательность процедур дает представление об общей схеме моделирования. На практике может возникнуть множество затруднений и данная схема сокращается до одного шага, когда моделирование становится бесконечным процессом уточнения модели на основе новых результатов изучения объекта.
При моделировании в общих моделях разные процессы описывают с помощью отдельных более или менее подробных субмоделей. Так, например, общая модель переноса СО2 между лесными экосистемами и атмосферой (MixFor – SVAT) [64] состоит из 15 тесно взаимосвязанных между собой подмоделей, описывающих, например, такие процессы, как перенос солнечной (фотосинтетически активной и ближней инфракрасной) и длинноволновой радиации в различных ярусах древостоя и подлеска, или турбулентный перенос явного тепла, Н2О и СО2 между почвой, подлеском, различными ярусами древостоя и приземным слоем атмосферы. Следует отметить, что, выбрав в качестве объекта исследования потоки СО2 в лесных экосистемах, его моделирование включило в себя все четыре этапа, в том числе и верификацию рассчитанных с помощью модели данных с экспериментально полученными результатами [64].
Как и природные экосистемы, урбоэкосистемы характеризуются ассимиляционным потенциалом (АП) [5]. Для урбоэкосистемы АП – это не только ее способность химически связывать СО2, но и поллютанты. АП урбоэкосистем включает в себя такие структурные элементы, в первую очередь характерные для природных экосистем, как зеленые насаждения, почвенный покров, органические и неорганические соединения живого и неживого вещества, влагу атмосферы и воду водных объектов. Каждый из этих элементов обладает присущим ему ресурсом обезвреживать и перерабатывать загрязняющие вещества (ЗВ). Обезвреживание ЗВ возможно за счет выноса, трансформации и иммобилизации. Иммобилизация начинается с адсорбции ЗВ на различных поверхностях живого и неживого вещества урбоэкосистем, затем при соответствующих условиях возможна абсорбция, связанная с поглощением и растворением ЗВ. Переработка ЗВ происходит в процессах ассимиляции вещества, например, СО2 и синтезе органического вещества при включении ЗВ или его химических элементов в метаболизм. Так, при ассимиляции углерода и создании первичной продуктивности происходит незначительная ассимиляция серы, входящей в состав SO2, в аминокислоты и белки [6], что обусловлено биогенностью этого химического элемента.
Исследование «судьбы» загрязняющих веществ и их взаимодействия со структурными элементами экосистем позволяет сформулировать модель поведения поллютантов, попавших в пространство урбоэкосистемы. На поллютанты, поступающие из источника выброса в атмосферу, воздействуют физические [58] и химические факторы, когда поллютанты взаимодействуют с каплями дождевой воды [89, 90], поглощаются водными каплями и твердыми частицами [89], изменяются в других процессах [86, 129].
Поллютант вместе с выбросом в воздушную среду попадает в сложно организованное пространство, образованное поверхностями неживого и живого вещества. В большинстве своем действию поллютанта на живое вещество, представленное, прежде всего, растительным покровом, предшествует адсорбция его поверхностью, причем растительность, в том числе и различные древесные породы, обладают разной способностью адсорбировать смеси загрязняющих атмосферу веществ [132]. Однако роль листовой поверхности и описание событий на границе «листовая пластинка – воздушная среда» как фактора, который может изменять концентрацию поллютантов, попадающих с выбросом в атмосферный воздух, не нашла должного отражения в имеющихся моделях ее расчета [19, 37, 42, 48].
Воздухообменные процессы урбанизированной территории Урбанизированные территории, являясь открытыми экосистемами, потребляют значительные количества природных ресурсов, которых, как правило, они не воспроизводят внутри себя. Поэтому экологическое равновесие таких экосистем крайне неустойчиво. В связи с этим территория Ангарского муниципального образования (АМО), как часть Иркутско-Черемховского промышленного узла, является территорией с высокой плотностью предприятий, где ежегодно перерабатывались и перерабатываются значительные потоки топливных ресурсов [31, 33]. Состояние воздушной среды урбанизированной территории зависит от полноты воздухообменных процессов, протекающих в пределах ее атмосферы. Поэтому исследовали показатели, характеризующие полноту воздухообменных процессов урбанизированной территории г. Ангарска и АМО для того, чтобы оценить с их помощью экологическое состояние их атмосферы.
