Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. ПРОБЛЕМА СОСТОЯНИЯ ДРЕВЕСНЫХ РАСТЕНИЙ В УСЛОВИЯХ КРУПНОГО ГОЮ ДА 10
1.1. Роль и функции внутригородских зеленых насаждений 10
1.2. Из истории зеленого строительства и интродукции древесных растений в России 17
1.3. Городская среда и растения 32
1.4. Механизм устойчивости древесных растений к техногенным факторам 43
Глава 2. НАУЧНЫЕ ОСНОВЫ БИОИНДИКАЦИИ ЗАГРЯЗНЕНИЯ СРЕДЫ И СОСТОЯНИЯ ЭКОСИСТЕМ 53
2.1. Классификация методов фитоиндикации 56
2.2. Экспертные оценки применения биоиндикаторов для диагностики состояния атмосферного воздуха 59
2.3. Основные принципы биологической индикации и диагностики почв 72
2.4. Биотехнологические методы и приемы в оценке загрязнения окружающей среды 84
Глава 3. ОРГАНИЗАЦИЯ СИСТЕМЫ МОНИТОРИНГА ЗЕЛЕНЫХ НАСАЖДЕНИЙ КЕМЕРОВА 91
Объекты и методы исследований 94
Глава 4. ХАРАКТЕРИСТИКА РАЙОНА ИССЛЕДОВАНИЙ 104
4.1. Физико-географическая характеристика и климатические условия 104
4.2. Оценка загрязнения атмосферного воздуха ПО
4.3. Биогеохимическая характеристика почв различных районов Кемерова 118
4.4. Биологическая индикация и диагностика почв 127
Глава 5. БИОГЕОХИМИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА ГОРОДСКИХ ДРЕВЕСНЫХ РАСТЕНИЙ 135
5.1. Особенности накопления серы и азота деревьями в разных экологических условиях города 137
5.2. Особенности накопления щелочных, щелочноземельных и тяжелых металлов растениями города 141
5.3. Изучение механизмов поступления свинца в растения 154
з
Глава 6. СОСТОЯНИЕ ДРЕВЕСНЫХ РАСТЕНИЙ В ЗЕЛЕНЫХ НАСАЖДЕНИЯХ ГОРОДА 160
6.1. Некоторые физиолого-биохимические показатели состояния древесных насаждений города Кемерово 160
6.2. Оценка функциональной активности фотосинтетического аппарата древесных растений 176
6.3. Фенологические особенности развития городских древесных растений 184
Глава 7. ОЦЕНКА УСТОЙЧИВОСТИ ДРЕВЕСНЫХ РАСТЕНИЙ К ФАКТОРАМ ГОРОДСКОЙ СРЕДЫ 207
Глава 8. ОЦЕНКА УСТОЙЧИВОСТИ МАЛОРАСПРОСТРАНЕННОГО (ДОПОЛНИТЕЛЬНОГО) АССООРТИМЕНТА ДРЕВЕСНЫХ РАСТЕНИЙГ. КЕМЕРОВО 226
Глава 9. ЭКОЛОГИЧЕСКОЕ ЗОНИРОВАНИЕ ТЕРРИТОРИИ Г. КЕМЕРОВА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ФИТОИНДИКАТОРОВ И ДАННЫХ ДИСТАНЦИОННОГО МОНИТОРИНГА 238
9.1. Моделирование среднегодового загрязнения атмосферного воздуха 241
9.2. Зонирование территории города на основании данных радиального прироста у сосны обыкновенной 244
9.3. Зонирование территории города по активности перокси-дазы листьев березы повислой 248
9.4. Зонирование территории города по данным лихеноинди-кации 253
9.5. Зонирование территории города по данным о загрязнении атмосферы серосодержащими примесями и накоплению экзогенной серы листьями березы повислой 257
9.6. Оценка уровней техногенной нагрузки и экологический прогноз 265
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 268
ОБЩИЕ ВЫВОДЫ 281
ПРАКТИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ 286
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 289
ПРИЛОЖЕНИЯ 332
- Из истории зеленого строительства и интродукции древесных растений в России
- Экспертные оценки применения биоиндикаторов для диагностики состояния атмосферного воздуха
- Физико-географическая характеристика и климатические условия
Введение к работе
Урбанизация - одна из форм современного развития общества и окружающей среды. Рост городов, развитие промышленности и автотранспорта в них являются объективной реальностью современного мира. Общая численность жителей городов планеты возросла с 600 млн. человек в 1958 г. до 2 млрд. в 1986 г. при ежегодном приросте 2,5 % [Brown, Jacobson, 1987] и почти до 6 млрд. в 2000 г.
Среда крупного города отличается своеобразием основных экологических факторов, а также специфическими техногенными воздействиями. Это дает основание экологам рассматривать город как особый тип экосистем [Мазинг, 1984; Одум, 1986; Куранов, 1989; Фролов, 1993, 1998; Hughes, 1974; Davis, Glick, 1978; Dorney, Mclellan, 1984; Lewinska, 1987 и др.].
В настоящее время вопрос оптимизации городской среды как среды обитания человека крайне актуален. Санитарно-гигиеническая комфортность городской среды представляет собой главный критерий ее оценки. В пределах города критерии комфортности условий жизни, нормального протекания жизненных функций человека считаются основными, критерии же производства и экономики по приоритетности уступают им.
Одним из эффективных средств улучшения среды города как по результатам, срокам осуществления, так и по стоимости, является озеленение. Роль зеленых насаждений в снижении негативного воздействия окружающей среды заключается в их способности нивелировать неблагоприятные для человека факторы природного и техногенного происхождения. С этой целью многие экологи рекомендуют увеличить площадь зеленых насаждений в городах. Однако высокая степень воздействия негативных антропогенных факторов, присущая урбанизированным территориям, закономерно приводит к ослаблению растительности, преждевременному старению, снижению продуктивности, поражению болезнями, вредителями и гибели насаждений.
5 В изучении взаимоотношений городской среды и астений прослеживаются два направления. В работах первого растения рассматриваются как терморегуляторы и фитофильтры загрязнителей и шумов, оцениваются их ландшафтная, санитарно-гигиеническая, рекреационная и эстетическая значимость. Этот круг вопросов изучен достаточно полно. Второе направление связано с изучением воздействий факторов городской среды на жизнедеятельность самих растений. Многие из изучаемых биологических и экологических характеристик отражают реальное состояние зеленых насаждений в городе и закономерности изменений, происходящих во времени, а также являются достоверными индикаторами качества городской среды и могут использоваться в вопросах мониторинга загрязнения воздуха и почв.
В связи с этим в системе мониторинга выделяют фитоиндикацию - как один из методов оценки качества окружающей среды.
Методы фитоиндикации отличаются высокой чувствительностью. Они позволяют:
регистрировать загрязнения воздуха в 3-5 раз ниже санитарно- гигиенических ПДК;
практически без физико-химических анализов проб воздуха или с их ограниченным количеством определять уровни загрязнения воздуха на обширных территориях;
определять степень и опасность воздействия загрязнителей на экосистемы;
изучать характер антропогенной дигрессии компонентов экосистем;
- выявлять относительную роль отдельных крупных источников эмиссий и
экологическую опасность отдельных ингредиентов в суммарном загрязне
нии среды и их влияние на экосистемы;
определять допустимые или критические нагрузки загрязнителей для био-ты, разрабатывать экологические нормативы антропогенных воздействий на экосистемы;
6 - давать научную основу для прогноза развития экологической ситуации в регионе и для разработки мероприятий по улучшению состояния окружающей среды.
Среди растений выделяют: 1 - биоиндикаторы с высокой чувствительностью к поллютантам, 2 - биоиндикаторы-накопители. Первая группа биоиндикаторов позволяет оценивать суммарную техногенную нагрузку на атмосферный воздух и почвы, вторая - загрязнение окружающей среды определенным токсикантом.
Высокая концентрация предприятий химической, энергетической, топливной промышленностей, является причиной повышенного загрязнения окружающей среды. Это характерно для многих крупных промышленных центров и городов России, в том числе и для Кемерова.
Высокий уровень техногенной нагрузки в городе предполагает разработку и внедрение объективных методов контроля загрязнения для оценки текущего состояния и тенденций развития ситуации в будущем, что необходимо для экологически сбалансированного развития города - расширения жилых районов, строительства и реконструкции промышленных предприятий. Одним из методов получения объективной информации о загрязнении среды города может быть фитоиндикация.
Существующий опыт зеленого строительства Кемерова не учитывает в полной мере специфичность экологических условий различных районов города и уровень их техногенного загрязнения, а вопросы состояния насаждений жилых и промышленных районов, устойчивости древесных растений к воздействию городской среды остаются недостаточно изученными.
Мониторинг зеленых насаждений в условиях города с учетом принципа экологического районирования его территории должен стать определяющим критерием отбора видов базового ассортимента для создания эффективно функционирующей системы зеленых насаждений и дифференцированной системы мероприятий по уходу за древесными насаждениями города.
Целью настоящей работы являлось: комплексная оценка влияния факторов среды Кемерова на различные аспекты жизнедеятельности древесных растений как основного звена в экосистеме города; научное обоснование и подбор критериев устойчивости древесных пород; научное обоснование методов фитоиндикации - выявление наиболее чувствительных индикаторных видов деревьев и подбор экспресс-методов для оценки загрязнения городской среды.
В круг задач исследований входило:
оценка степени загрязнения атмосферного воздуха и почв г. Кемерова - как основных сред питания растений;
изучение особенностей поглощения токсических веществ городскими деревьями;
исследование состояния древесных растений в зеленых насаждениях города по физиолого-биохимическим показателям, функциональной активности фотосинтетического аппарата, фенологическим особенностям развития древесных растений, некоторым морфометрическим характеристикам;
выявление видовой специфики в реакциях исследованных древесных пород на урбанизированную среду. Построение шкал устойчивости видов к городским условиям;
выявление растений -индикаторов и подбор экспресс-методов для оценки техногенного загрязнения воздуха и почв;
экологическое зонирование территории города, прогноз развития экологической ситуации.
Научная новизна работы заключается в следующем: - впервые в Кемерово проведена комплексная оценка влияния факторов городской среды на различные аспекты жизнедеятельности древесных растений - выявлены особенности химического состава и установлена их видовая специфичность в способности накапливать химические элементы, присутствующие в техногенных выбросах; установлена направленность физиолого-биохимических и морфологических изменений у исследуемых
древесных пород; исследованы фенологические особенности развития растений; проведена оценка устойчивости древесных пород на уровне листьев, побега и целого растения; - впервые апробированы методы фитоиндикации в оценке качества окружающей среды г. Кемерово и на основе данных фитомониторинга выполнено экологическое зонирование территории города, позволяющее оценить уровень суммарной техногенной нагрузки и загрязнения атмосферы серосодержащими примесями.
Теоретическая значимость работы. Изучен адаптивный потенциал древесных пород в условиях техногенной нагрузки промышленного города в зоне островных лесостепных сосново-лиственных лесов континентального климата Западной Сибири, что является вкладом в развитие общей теории устойчивости растений к неблагоприятным факторам окружающей среды. Доказана сопряженность морфо-физиологических изменений у деревьев с их устойчивостью в условиях городской среды. Установлена ведущая роль техногенных факторов (почвенного и воздушного загрязнения) в ослаблении состояния древесных пород в г. Кемерово. Показано, что регуляция путей поступления свинца в растение (атмосферного или почвенного) осуществляется содержанием данного элемента в сопряженных почвах. Выявлено принципиальное различие в устойчивости хвойных и лиственных пород на уровне листьев (хвои), побега и целого растения. Получены новые доказательства, подтверждающие возможность применения фитоиндикаторов для оценки загрязнения городской среды.
Практическая значимость работы. На основе результатов исследований основных характеристик жизнедеятельности растений, предложен доступный и информативный тест устойчивости древесных пород в городе. На основе оценки устойчивости древесных пород, мало распространенных в зеленых насаждениях города, но отличающихся высокой декоративностью, разработан список дополнительного ассортимента, рекомендованного к внедрению в прак-
тику зеленого строительства Кемерова. Выявлены растения-индикаторы и экспресс-методы оценки суммарной техногенной нагрузки атмосферного воздуха, а также растения-индикаторы и соответствующие методы оценки загрязнения окружающей среды серосодержащими, азотсодержащими примесями и тяжелыми металлами. На основе данных фитоиндикации разработан и предложен способ оценки загрязнения атмосферы серосодержащими соединениями, подтвержденный патентом (№ 2213361 от 27 сентября 2003 г.).
На защиту выносятся следующие основные положения:
закономерности изменения биогеохимического состояния почв под влиянием техногенных нагрузок;
особенности химического состава городской древесной растительности и закономерности биологического поглощения некоторых металлов растениями из почв;
физиолого-биохимические и морфологические показатели состояния древесных растений являются диагностическими признаками их устойчивости в условиях городской среды:
отбор, уточнение и разработка системы методов фитоиндикации для оценки состояния древесных растений и уровней загрязнения окружающей среды г. Кемерова;
особенности и принципы экологического зонирования города и определение степени экологической опасности загрязнения воздуха для зеленых насаждений г. Кемерова.
Основные результаты диссертации представлены в 40 опубликованных работах, в том числе в 2-х монографиях, методических рекомендациях и патенте на изобретение.
Работа выполнена в лаборатории биохимических методов исследований Кемеровского технологического института пищевой промышленности и лаборатории биоиндикации Кузбаского ботанического сада (филиала ЦСБС СО РАН).
link1 Из истории зеленого строительства и интродукции древесных растений в России link1 .
Зеленое строительство возникло как садово-парковое искусство с началом оседлого образа жизни человека. Человек, осваивая для своих нужд природные ресурсы, развивал и эстетическое отношение к природе, что послужило причиной культивирования растений. С развитием многообразия форм расселения людей, появлением деревень, сел, городов возникла необходимость в дополнении естественной растительности целенаправленным озеленением. Озеленение стало развиваться параллельно с развитием градостроительства и использовалось для повышения комфортности среды проживания.
По мере развития городов и зеленого строительства как части жизнедеятельности общества функции насаждений менялись. Вначале преобладала декоративная роль растений. Создание декоративных садов и парков со временем приобрело значение особого вида знаний [Иванова, 1972; Палентреер, 1972; Рубцов, 1973; Косаревский, 1977; Залесская, Микулина, 1979; Боговая, Фурсова, 1988 и др.]. В России центрами развития приемов ландшафтного строительства на протяжении многих лет оставались столичные города (Москва, Санкт 18 Петербург). Главными школами садово-паркового строительства в Москве являются: Московский государственный университет леса, Главный ботанический сад РАН, Академия коммунального хозяйства им. Панфилова, и в Санкт-Петербурге - лесотехническая академия, Ботанический институт РАН [Цицин, 1954; Кругляков, 1959; Палентреер, 1968; Лунц, 1974, Теодоронский, 1978; Якушкина, 1982; Хромов, 1987; Боговая, Теодоронский, 1990; и др.). В Сибири такие школы стали формироваться с 40-х годов XX в. на базе ботанических садов региона - в Томске, Новосибирске, Иркутске и др. Исследовательские работы ботанических садов в области интродукции и акклиматизации растений способствовали развитию зеленого строительства в городах Сибири [Крылов, Салатова, 1955; Зубкус и др., 1962; Морякина 1980; Таран, Агапова, 1981, 1987; Коропачинский, Встовская, 1990].
Рассматривая развитие различных направлений в озеленении городских территорий, Э.И. Слепян [1984] выделяет 15 стратегий озеленения: декоративное, мемориальное, геосанитарное, фитотерапевтическое, рекультивационное, рекреационное и др. С усложнением взаимоотношений человеческого общества и природы назначение озеленения становится все более многофункциональным. Создание полифункциональных насаждений, однако, не отрицает важности специализации в озеленении. Только единая система озеленительных территорий, включающая насаждения различного назначения, способствует улучшению качества жизненной среды [Слепян, 1979,1984].
Интенсивный рост городов, бурное развитие промышленности в XX в. выдвинули на первый план экологические функции озеленения [Леви, Андерсон, 1979]. Развитие зеленого строительства как части жизнедеятельности общества предопределило возникновение исследований в этой области, разработку теоретических основ озеленения [Машинский, 1951; Цицин, 1954; Кругляков, 1959, 1965; Колесников, 1960, 1974; Залесская, 1964; Галактионов и др., 1966; Лунц, 1968, 1974; Дюваль-Строев, 1969; Рева, Негробов, 1970; Гладкий, 1972; Родичкин, 1972, 1981; Рубцов, 1973, 1977; Хромов, 1973; Котелова, Вино 19 градова, 1974; Северин, 1975; Теодоронский, 1978, 2000; Вергунов, 1980; Гла-зачев, 1980; Кучерявый, 1981; Головач, 1982; Сычева, 1982; Якушкина, 1982; Слепян, 1984; Ходаков, 1984; Владимиров и др., 1986; Юскевич, Лунц, 1986; Артаманюк и др., 1987; и др.].
Спектр научных задач в области зеленого строительства достаточно широк: изучение исторического наследия садово-паркового и ландшафтного искусства, разработка теоретических основ развития систем озеленения городов, обогащение ассортимента растений для озеленения, экологическое обоснование размещения, проектирование и нормирование озелененных территорий города и др. В числе этих задач одним из главных вопросов является разработка ассортимента древесных растений для создания устойчивых в условиях города и высокодекоративных объектов озеленения различного функционального назначения.
Возможность успешного произрастания древесных растений определяется соответствием условий среды биоэкологическим особенностям видов. Главным климатическим фактором в этой связи являются температурные условия, поэтому зимостойкость растений - один из наиболее важных показателей их пригодности для выращивания в том или ином районе. Немаловажную роль играют эдафические факторы (механический состав, увлажненность, засоленность почв и др.), освещенность местообитаний и ряд других экологических условий.
Районирование территории страны для зеленого строительства проводилось неоднократно. Еще в начале прошлого века Э.Л. Вольфом была предпринята попытка древокультурного районирования Европейской части России с выделением трех областей (южной, средней и северной) и шести полос для нужд декоративного садоводства [Колесников, 1974]. Академией коммунального хозяйства РСФСР в 1962 г. разработана «Схема деления Сибири и Дальнего Востока СССР на районы применения древесных и кустарниковых пород в озе 20 ленении», в которой приведены списки растений для 45 выделенных районов на данной территории.
Экспертные оценки применения биоиндикаторов для диагностики состояния атмосферного воздуха
Исследователями отмечается нарушение феноритмов роста и развития растений и ускорение процессов старения организмов [Николаевский, 1979, 1989; Сергейчик, 1984; Фитотоксичность..., 1986; Беляева, Николаевский, 1989; Неверова, Колмогорова, 2002г]. Начальные фазы распускания почек, облистве-ния побегов древесных растений и начало цветения (липа), а также пожелтение листьев при загрязнении воздуха до 12 - 17 ПДК ускоряются, продолжительность вегетации сокращается, но полный листопад заканчивается в близкие сроки как и в чистой среде. Указанные нарушения феноритмов и развития растений вызваны изменением микроклимата: на загрязненных территориях раньше и быстрее происходит снеготаяние и раньше среднесуточная температура воздуха достигает 5С, что необходимо для распускания почек. Отмечено, что фенологические методы биоиндикации возможны для оценки достаточно высоких уровней загрязнения воздуха (10 и более ПДК). Имеются сведения [Марце-нюк, Николаевский, 1975; Николаевский, 1979; Беляева, Николаевский, 1989] о том, что под влиянием некоторых газов может изменяться окраска генеративных органов и листьев (гесперис женский, барбарис обыкновенный), ослабляться осенняя раскраска листьев перед листопадом.
Промышленные газы в диапазоне концентраций от 1 ПДК и выше вызывают у растений появление некрозов (ожогов) на листьях и хвое, уменьшение линейного роста побегов, количества и размеров ассимиляционных органов на годичных побегах (древесные растения) или на стебле (травянистые растения), уменьшение площади, сырой и сухой массы листьев годичного побега (ксеро-фитизация), снижение возраста хвои у хвойных пород, ускорение усыхания нижних ветвей в насаждениях (ель, пихта), сокращение сроков жизни деревьев [Кулагин, 1974; Добровольский, 1976; Николаевский, 1979, 1989; Влияние..., 1981; Мэннинг, Федер, 1985; Артамонов, 1986; Биоиндикация..., 1988; Беляева, Николаевский, 1989; Гетко, 1989; Диагностика..., 1990; Аугустайтис, 1992; Зубарева, 1993; Неверова, 2001 в, Неверова, Колмогорова, 2002а].
Перечисленные нарушения лучше и быстрее проявляются у хвойных пород с большой длительностью жизни хвои (ель), несколько хуже у сосны. У лиственных пород, ежегодно сбрасывающих в умеренно континентальном климате листву, эти же нарушения проявляются при относительно большем уровне загрязнения воздуха (7-10 ПДК и более).
Некоторыми авторами [Николаевский, 1978; Влияние..., 1981; Йокинен и др., 1982; Биоиндикация..., 1988; Николаевский, 1989; Рожков, Михайлова, 1989; Алексеев, 1990; Аугустайтис, 1992; Гитарский, 1993; Зубарева, 1993] сформулированы и обоснованы методические указания по правилам отбора насаждений, модельных деревьев и проб с них для анализов, методов расчета показателей. Так, при высоких уровнях загрязнения воздуха морфобиометриче-ские измерения для получения достоверных различий в вариантах (опыт / контроль) необходимо у хвойных пород проводить в 10-кратной, а у лиственных пород - 20-кратной повторности, а при низких уровнях загрязнения воздуха у хвойных пород в - 20 и более кратной повторности. В качестве модельных деревьев лучше отбирать деревья 1-го класса Крафта [Аугустайтис, 1992].
Хроническое воздействие промышленных газов на растительность вызывает серьезные изменения анатомического строения листьев и хвои растений и увеличение их ксерофитизации [Кулагин, 1974; Николаевский, 1979, 1983; Влияние ..., 1981; Сергейчик, 1984, 1988; Мэннинг, Федер, 1985; Артамонов, 1986; Бялобок, 1988; Аугустайтис, 1992; Токарева, 1992; Гитарский, 1993; Зубарева, 1993; Неверова, 1999, Неверова, Колмогорова, 2002а, в]. В городах и промышленных центрах у растений более мелкие листья, они несколько более толстые и имеют более мелкие клетки. У них меньше толщина верхнего эпидерми 61 са, кутикулы, толщина и число слоев полисадной ткани, больше число устьиц на 1мм поверхности листа. Под влиянием промышленных газов уменьшается апертура устьиц в течение дня. Степень описанных нарушений в анатомическом строении ассимиляционных органов зависит (коррелирует) от концентрации и токсичности газов, а также длительности их действия и чувствительности видов.
Серьезные изменения наблюдаются в строении фотосинтезирующих клеток, особенно в хлоропластах, так как многие поллютанты концентрируются в клетках преимущественно в хлоропластах и вакуолях [Илькун, 19716; Силаева, 1978; Кунин и др., 1979; Николаевский, 1979; Фитотоксичность..., 1986]. Кислые газы вызывают в фотосинтезирующих клетках разбухание клеточных оболочек, псевдовыросты на митохондриях, разбухание и деструкцию хлоропла-стов (грануляцию и увеличение плотности стромы хлоропластов), увеличение количества и размеров пластоглобул, набухание мембран митохондрий и хлоропластов, потерю тургора клеток.
Так как тонкие изменения структуры клетки можно видеть при больших увеличениях микроскопа, то приготовление срезов и их микроскопирование представляют собой трудную и долговременную работу. Более быстрыми методами биоиндикации среди этой группы показателей являются определения: 1 - числа и размеров устьиц на поверхности листьев; 2 - дневной динамики апертуры устьиц; 3 - размеров клеток эпидермиса.
Как указывалось ранее, многие физиологические процессы у зеленых растений обладают высокой чувствительностью к ггоомышленным загрязнителям. Кислые газы вызывают вначале слабое подавление, затем активацию и далее устойчивое подавление фотосинтеза. На основании явления подавления фотосинтеза был разработан метод определения физиологических ПДК допустимого загрязнения воздуха для растительности и определены нормативы ПДК для растений по 11 ингредиентам (диоксид серы, аммиак, диоксид азота, хлор, сероводород, метанол, бензол, формальдегид, циклогексан, пары серной кисло 62 ты, оксид углерода) [Николаевский, Николаевская, 1988]. Так как фотосинтез у продуцентов является одним из самых чувствительных физиологических процессов к действию любых экологических и антропогенных факторов, то указанный выше метод может использоваться для индикации чистоты воздуха [Николаевский, 1979; Николаевский, Николаевская, 1988]. Однако следует признать, что метод определения интенсивности фотосинтеза требует специального оборудования и поэтому не может широко использоваться в биоиндикационных исследованиях.
Физико-географическая характеристика и климатические условия
Город Кемерово расположен в северной части Кузнецкой котловины по обоим берегам р. Томи. Территория г. Кемерова по геоботаническому райони рованию А.В. Куминовой [1950] расположена в Центральном лесостепном рай оне Кузнецкой котловины. По лесорастительному районированию Кузбасс от носится к Салаиро-Западнокузнецкой котловинно-горной провинции пихтовых лесов, включающей Кузнецкий округ островных лесостепных сосново лиственных лесов и Салаиро-Западнокузнецкий округ черневых пихтовых и осиновых лесов. Котловина в долине Томи, занятая городом и его окрестностя Ъ ми, напоминает почти круговое обрамление в форме подковообразного амфи театра с открытым выходом на северо-запад.
В последние годы в Кемеровском промышленном районе все больше образуются техногенные формы рельефа: отвалы пород, терриконы, карьерные выемки, дамбы и различные насыпи. В орографическом отношении район Кемерово представляет собой плато с широкими и плоскими водоразделами и с чередующимися неглубокими долинами небольших рек, логов, оврагов, западин.
Географическое положение Кемерова обусловливает значительные изменения во времени восхода и захода солнца, длительности светового дня. В течение года продолжительность дня изменяется от 17 ч 26 мин в период летнего (22 июня) до 7 ч 06 мин - в период зимнего (22 декабря) солнцестояний.
Максимальная расчетная для безоблачного неба продолжительность солнечного сияния за год здесь могла бы составить около 4500 ч с закономерным, но далеко неравномерным распределением по месяцам - от 224 ч в декабре до 521 ч в июле. Фактически в среднем за год солнце светит в Кемерове в течение 1923 ч, что составляет всего 43 % возможной расчетной продолжительности солнечного сияния. Наиболее неблагоприятные погодные условия в городе соз 105 даются с ноября по январь. В это время фактическое сияние за месяц в сумме составляет 50 ч и не превышает в среднем 21 % возможной суммы. Резкое сокращение продолжительности солнечного сияния в конце осени и в первые зимние месяцы связано с особенностями режима облачности. В среднем около 80 дней в году небосвод в зоне города полностью закрыт плотными облаками, из них почти 60 % приходится на ноябрь - январь.
Потенциальные ресурсы светового дня в окрестностях Кемерова по суммарной УФ-радиации при высокой прозрачности атмосферы неравномерны по сезонам года и существенно ограничены зимой. Доля коротковолновой составляющей в общем потоке УФ радиации в максимуме при безоблачном небе и высоком солнце здесь достигает 6 %. При других условиях за счет интенсивного рассеяния и поглощения она будет еще меньше. Следовательно, естественная УФ-радиация солнца и неба, достигающая земли в Кемерове, в основном представлена длинноволновым излучением (Л 320 нм) так называемой области А.
Одним из определяющих факторов притока солнечной радиации к земной поверхности является оптическая прозрачность атмосферы. Прозрачность атмосферы промышленного города уменьшается, увеличивается повторяемость неблагоприятных ситуаций для проникновения солнечного излучения к земной поверхности. Установлено, что атмосфера промышленной зоны Кемерова в среднем в 1,5 раза оптически более замутнена по сравнению с городской окраиной. Доля коротковолновой УФ-радиации с длинной волны менее 380 нм теряется в городе на 1/3 по сравнению с сельской местностью. При высоте солнца 30 и ниже над горизонтом и аэрозольном загрязнении атмосферы на уровне 1,5 ПДК снижение интегрального потока УФ-радиации достигает 40 %. Если учесть, что эта высота солнца в Кемерове не достигается в течение всей зимы и то, что она является практически максимальной в весенний и осенний периоды года, а в летние месяцы занимает большую часть светового дня (за исключением 3-4 полуденных часов), то становится понятной гигиеническая зна 106 чимость потерь природного УФ-излучения, связанных с загрязнением атмосферы.
Климат любого географического района, как известно, формируется под воздействием трех основных факторов: солнечной радиации, атмосферной циркуляции и подстилающей поверхности. Первый целиком и полностью определяется широтой местности и соотношением повторяемости ясных и пасмурных дней в различные сезоны года, второй - интенсивностью междуширотного обмена теплыми и холодными воздушными массами, а третий - структурой подстилающей поверхности: рельефом, экспозицией склонов, почвами, состоянием растительного покрова и т.д. На процессы воздухообмена над Кемеровской областью в определенной степени влияют Салаирский кряж и Кузнецкий Алатау, обособляя или, напротив, ослабляя их развитие, деформируя в той или иной степени общую структуру переноса воздушных масс в горах из-за вынужденного их подъема. Однако в среднем многолетнем разрезе, так же как и над остальными районами, над Кемеровской областью преобладает общий перенос воздушных масс с юго-запада на северо-восток.
Над Кузнецкой котловиной воздушный поток под влиянием окружающих гор и благодаря общей ее пространственной ориентации подвергается значительной деформации. В результате на уровне флюгера в Кемерово преобладают южные и юго-западные ветры (25 %), реже северные и восточные (менее 10 %). Наибольшее число южных ветров приходится на холодное полугодие (зимой -33 %, осенью - 25 %). Максимум юго-западных ветров приходится на конец осени (октябрь - 34 %) и начало зимы (ноябрь, декабрь - 30 %). Средняя годовая скорость ветра в Кемерово на высоте флюгера (12 м) составляет 4,4 м/с. Ее изменчивость из года в год небольшая и составляет в среднем 0,4 м/с. В годовом ходе средней скорости ветра проявляются два максимума: первый - осенью, в ноябре (5,5 м/с), второй - весной, в марте (5,2 м/с). Повышенная вероятность штилевой погоды характерна для июля и августа при небольшой средней скорости ветра 3,0 - 2,5 м/с. Зимой, при низких температурах и слабых ветрах, осо 107 бенно в ночные и утренние часы, в долине реки и других пониженных местах города на 10-15С холоднее, чем на возвышенностях.
По теплообеспеченности Кемерово и его окрестности в радиусе примерно 50 км относятся к району умеренно теплому (с суммой температур выше 10 С 1800С), в основном с недостаточным увлажнением (ГТК от 1,0 до 1,2). Средняя годовая температура колеблется от 1,0 до - 0,9С. Средняя температура наиболее холодного месяца (января) - 17... - 20С, хотя морозы нередко доходят до - 40С и ниже. Самый теплый месяц - июль. Средняя температура июля 18,5С, а в отдельные дни она доходит до 35... 37С. Продолжительность безморозного периода 110-122 дней, заморозки в среднем заканчиваются в III декаде мая и начинаются со II декады сентября. Снежный покров устанавливается в основном в начале ноября или в конце октября и удерживается длительное время, в среднем 145-155 дней. Термический режим почв зимой прежде всего определяется процессом их промерзания. Промерзание почвы в окрестностях Кемерово в обычные зимы распространяется на глубину 1-1,5 м, а в малоснежные - до 2 м и более. Температурный режим верхнего 10 сантиметрового слоя глинистых и суглинистых почв в период вегетации благоприятен для произрастания многих культурных растений. Осадков выпадает в среднем 400-500 мм в год, однако распределение их по территории очень неравномерно [Климат Кемерова ..., 1987].
