Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Изученность проблемы. Литературный обзор 7
1.1. Воздействие промышленных выбросов заводов и предприятий на состояние растительного покрова 7
1.2. Биологическая роль и влияние химических элементов на растения
1.3. Краткий анализ работ по классификации, ординации растительности и оценке жизненного состояния лесов 20
Глава 2. Природные и техногенные условия произрастания растительности исследуемой территории 25
2.1. Природно-климатические условия 25
2.2. Выбросы Мохсоголлохского цементного завода как ведущий техногенный фактор воздействия на окружающую среду 35
Глава 3. Объекты и методы исследований 48
3.1. Методика исследований химического состава снежного покрова 48
3.2. Методика исследований содержания химических элементов в растениях 50
3.3. Методика исследований изменения видового состава растительности 51
3.4. Методика исследований изменения растительных сообществ 52
3.5. Методика исследований жизненного состояния леса 54
Глава 4. Влияние выбросов цементного завода на растительный покров 56
4.1. Изменение химического состава снежного покрова и растений 56
4.1.1. Химический состав снежного покрова 56
4.1.2. Химический состав растений 67
4.2. Видовой состав растительности 82
4.3. Изменение в растительных сообществах 85
4.4. Оценка жизненного состояния леса 93
ВЫВОДЫ 98
РЕКОМЕНДАЦИИ ПРОИЗВОДСТВУ 100
ЛИТЕРАТУРА 101
ПРИЛОЖЕНИЕ 125
- Воздействие промышленных выбросов заводов и предприятий на состояние растительного покрова
- Природно-климатические условия
- Химический состав снежного покрова
Введение к работе
Актуальность работы. Современное индустриальное производство оказывает значительное воздействие на природу в глобальных масштабах. Загрязнение природной среды промышленными выбросами негативно влияет на здоровье людей и на состояние окружающей среды. При этом огромными выбросами как твердых, так и газообразных загрязняющих веществ отличаются предприятия по производству цемента. Цементная пыль воздействует на все компоненты природной среды.
Одним из основных индикаторов загрязнения промышленных выбросов на окружающую природную среду является растительность, так как она, благодаря высокой чувствительности к антропогенному воздействию, первой принимает на себя своеобразный «удар» техногенного пресса. Пылевые частицы, забивая устьичный аппарат растений, приводят к ухудшению их жизненного состояния, что отражается в темпах роста и развития.
На Севере растительность развивается в суровых экстремальных условиях под влиянием многолетней мерзлоты, от чего она более ранима и медленно восстанавливается на нарушенных участках. Изучение изменения растительности под воздействием промышленных объектов и ее устойчивости в условиях Якутии - это проблемы, представляющие как фундаментальный, так и практический интерес. В этой связи исследования воздействия цементного завода на природную среду актуальны. Объектом изучения выбрана растительность, произрастающая на территории цементного завода и окрестностях пос. Мохсогол-лох, муниципального района «Хангаласский улус» (Центральная Якутия).
Цель исследования - изучение состояния снежного покрова как индикатора техногенной нагрузки и изменений в растительности в зоне влияния выбросов Мохсоголлохского цементного завода.
В рамках поставленной цели решались следующие задачи: - провести анализ изменения химического состава снежного покрова и растений в зоне воздействия цементного завода;
провести ординационный анализ видов растений вдоль фактора загря-нения;
разработать эколого-флористическую классификацию растительности;
оценить общее жизненное состояние леса в зоне влияния выбросов цементного завода;
разработать рекомендации производству для проведения мероприятий по сокращению выбросов и улучшению состояния окружающей среды.
Фактический материал. Для химического анализа в зоне влияния выбросов цементного завода отобрано 90 проб снежного покрова и 120 проб растений. Выполнено 220 геоботанических описаний растительности изучаемой территории для классификации и ординации видов, дана оценка жизненного состояния леса. В работе использованы архивные материалы Министерства охраны природы PC (Я) и улусного комитета по охране природы.
Научная новизна. Впервые в условиях Центральной Якутии изучена растительность в зоне влияния выбросов цементного завода с применением методов химического анализа проб снежного покрова и отдельных видов лесных растений, проведена ординация видов вдоль фактора загрязнения и эколого-флористическая классификации растительности. По изменению основных признаков модельного вида-биоиндикатора - лиственницы Каяндера (дефолиация и пожелтение кроны по шкале категорий состояния деревьев) оценено общее жизненное состояние (ОЖС) леса.
Защищаемые положения:
В зоне воздействия выбросов Мохсоголлохского цементного завода на расстоянии до 2-х км наблюдаются изменения в химическом составе, как снежного покрова, так и растений;
Изменение видового состава растений, антропогенная трансформация растительных сообществ вдоль фактора загрязнения, а также угнетение жизненного состояния леса определяются степенью воздействия выбросов цементного завода.
Практическая значимость работы. Результаты исследований могут послужить основой при оценке современного состояния растительности и в целом природной среды в зоне влияния цементного завода пос. Мохсоголлох. Полученные результаты могут быть использованы при разработке научно-практических рекомендаций по защите природной среды в зонах влияния цементных заводов и оценке состояния окружающей среды в условиях Севера.
Апробация. Основные положения и разделы диссертационной работы докладывались и обсуждались на научно-практических конференциях и отражены в материалах международной научно-практической конференции «Проблемы стабилизации и развития сельскохозяйственного производства Сибири, Монголии и Казахстана в XXI веке» (Новосибирск, 1999), научно-практической конференции молодых ученых «Сельское хозяйство Сибири на рубеже веков: итоги и перспективы развития» (Новосибирск, 1999), TV международной научно-практической конференции «Человек и окружающая природная среда - проблема взаимодействия» (Пенза, 2001), VI международной научно-практической конференции «Биосферосовместимые и средозащитные технологии при взаимодействии человека с окружающей природой» (Пенза, 2001), всероссийской научно-практической конференции «Экологическая политика и устойчивое развитие регионов России» (Пенза, 2002).
Основные разделы докладывались и получили положительную оценку на аспирантских чтениях в Академии наук PC (Я) (2003), ученом совете Института прикладной экологии Севера АН PC (Я) (2003), кафедре экологии ГОУ ВПО «Якутский государственный университет им. М.К. Аммосова» (2008), научном семинаре ФГНУ «Институт прикладной экологии Севера» и Якутского отделения Русского ботанического общества (2008).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 7 печатных работ, в том числе 1 статья в рецензируемом ВАК РФ журнале.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 4-х глав, выводов, списка литературы и приложений. Работа изложена на 155 стра-
ницах машинописного текста (из них 32 страницы - приложение), иллюстрирована 15 рисунками и содержит 30 таблиц, (17 из них в приложении). Список литературы включает 251 наименование и 7 работ, опубликованных по теме диссертации.
Автор выражает глубокую благодарность научному руководителю д.б.н., профессору СИ. Мироновой, заместителю директора по научной работе ФГНУ «Институт прикладной экологии Севера», к.т.н. В.В. Иванову и научным сотрудникам ФГНУ ИПЭС за помощь, консультации и участие при проведении полевых исследований.
Воздействие промышленных выбросов заводов и предприятий на состояние растительного покрова
Интенсивное промышленное освоение природных ресурсов негативно воздействует на природные экосистемы. В этой связи проблема загрязнения окружающей природной среды - проблема актуальная в настоящий момент.
Как известно, в конце XIX века были зафиксированы рекордные ущербы, нанесенные промышленными выбросами растительному покрову нашей планеты. Особенно разрушительным воздействие становится в период интенсивного промышленного освоения в XX веке. По мере развития местного промышленного производства, в частности цементного, урон, наносимый растительности, возрастает, а если говорить о химической, металлургической, керамической и стекольной промышленности, то процесс разрушения растительности носит экспоненциальный характер (Katz М., 1958).
Изучению устойчивости древесной растительности и растительности в целом к воздействию выбросов промышленных дымов, пыли и вредных газообразных веществ посвящено ряд работ как зарубежом, так и в бывшем СССР и России. Научные направления проведенных исследований можно разделить на три группы:
— изучение влияния вредных газообразных веществ на растения;
— изучение влияния тяжелых металлов на растения;
— изучение влияния промышленных дымов и пыли на растения;
Немецкими исследователями И. Шредером и Б. Реуссом (Schuoeder, Reuss, 1883), начавшими свои первые исследования в Западной Европе еще в конце XIX века по степени устойчивости был выделен ряд древесных видов к сернистому газу (S02). Наименее устойчивыми по их данным являются хвойные породы, такие как ель и сосна. Биохимической стороне проблемы воздействия S02 посвятил свои труды в конце XIX века Н. Вислиценус (Wislicenus, 1898). Отравляющие действия вредных веществ отмечает Ж. Стокласа (Stoklasa, 1923). О воздействии вредных веществ на процессы восстановления клеточных структур свидетельствует работа М. Катц (Katz, 1958).
Воздействие выбросов промышленности на растительный покров даже малыми концентрациями загрязняющих веществ носит характер хронических повреждений. Изменяются все признаки растений, что отражается на качестве и запасах древесины. Известны масштабы загрязнения в странах дальнего зарубежья. Так, в Германии в 1980 г. было повреждено 58% обследованного в земле Северный Рейн-Вестфалия елового подроста, 550 км2 подроста было погублено в Баварии, 640 км пихтовых лесов погибло в Баден-Вюртенберге (Бретшнай-дер, 1989).
Установлено влияние фтора, серы и пыли на почву и растения в зоне индустриального загрязнения. Фтор и его соединения опасны в газообразном виде (гидрофторид). Зеленая масса растений по сравнению с корневой системой по- глощает большое количество фторидов, что подавляет рост растений в вегетационный период (Novak, 1999). Ряд авторов подробно описывают и объясняют причины возникновения загрязнений воздуха, ими определены источники загрязнения, их влияние и меры предотвращения и устранения (Влияние загрязнения воздуха на растительность, 1981).
Вопросами загрязнения растительности элементами-токсикантами в промышленных районах занимались и в советское время. Так, исследователь Н.П. Красинский (1937) разработал теоретические основы газоустойчивости растений — теорию фотоокисления. Например, процессы нарушения фотосинтеза он связывает с проникновением в листья, хвои вредных кислых газов, в частности сернистого ангидрида, под воздействием которого происходит снижение окисляемости клеточного содержимого с последующим разрушением клеток.
Достаточное количество работ посвящено проблеме загрязнения растительности на Урале (Кулагин, 1972, 1974, 1975, 1978, 1980, 1981, 1982; Si-dorovich, 1981; О причинах повреждения и гибели культур сосны.., 1975; Гетко, 1978 и др.), где приводятся данные загрязнения лесной растительности и даны рекомендации по повышению устойчивости растений к загрязнению атмосферы Эти работы послужили основой для развития, сохранения и восстановления природных экосистем в промышленных районах и областях не только Урала и Сибири, но и Дальнего Востока.
Исследования по изучению влияния атмосферного загрязнения на растения проводились на Украине (Илькун, 1968, 1971), где представлены результаты физиолого-биохимических нарушений, а также по газоустойчивости.
В 1990-е годы XX века опубликован ряд работ, связанных с влиянием промышленного загрязнения на качество атмосферного воздуха и растительности (Влияние промышленного загрязнения на древесную растительность.., 1990; Шилова, 1991; Демьянов, 1996). Во многих публикациях (Краева, 1995; Малыхин, 1995; Шелухо, 1997; Челноков, 2000), внимание стало уделяться проблемам воздействия цементных заводов на растительность. При выбросах в атмосферный воздух твердых частиц, особенно золы, сажи, цементной пыли, происходит образование пылевых слоев, которые замедляют процессы фотосинтеза.
Так, газообразные вещества и цементная пыль проникают через устьица при газообмене листьев и хвои в растения и неодеревеневшие побеги. Эти вещества, мигрируюя в другие органы, поражают не только поверхность дерева, но и клетки внутри растения.
Природно-климатические условия
Географическое положение. Пос. Мохсоголлох расположен на левом берегу р. Лены на высоте 150 м над у. м. Расстояние до районного центра г. По-кровска составляет 18 км, а до столицы Якутии - г. Якутска - 94 км (рис. 1).
Поселок является центром цементного производства Якутии. Близость нахождения от районного центра и столицы республики играет свою положительную роль при внутрирайонных и междугородных перевозках. Развитая транспортная сеть обусловливает его экономически выгодное географическое положение.
Рельеф и геологическое строение. Современный рельеф Центральной Якутии, где проводились исследования, сформирован в результате глубинных разломов и тектонических процессов, проходивших в палеозое, мезозое и в кайнозойском периоде. В строгом соответствии с геоморфологическим устройством местности находятся её геологическое строение и характер почвообра-зующих пород (Зольников, 1954; Соловьев, 1959).
Поселок расположен в пределах Центрально-Якутской равнины на высоте 100-150 м над уровнем моря. Её мезозойские и неогеновые отложения сверху покрыты четвертичным лессовидным суглинком и супесью, толщи которых пронизаны ледяными жилами и линзами.
Вторая надпойменная терраса реки Лены, на которой на площади 52,63 га был основан в 1958 г. пос. Мохсоголлох, тянется в виде прерывистой полосы по обоим берегам реки. Высота её над уровнем воды составляет 18-25 м, ширина колеблется в пределах 1,5-2 км.
Поверхность террасы ровная, с редкими и небольшими западинами глубиною около 1,5 м. Мезорельеф здесь резко выраженный, грядово-лощинный в форме гряд-вееров. Волнистый мезорельеф перемежается широкими выровненными пространствами, которые чаще всего используются для сельскохозяйственных нужд. Остальная возвышенная часть покрыта лесом, имеет самый разнообразный бугристо-западинный рельеф.
Климат района исследования, как и по всей Центральной Якутии, носит суровый, резко континентальный характер. Отличается очень низкими температурами в течение долгой малоснежной зимы и высокими в течение короткого засушливого лета (Шостакович, 1927; Шашко, 1961; Гаврилова, 1973).
Ниже нами представлена динамика колебаний среднемесячной температуры воздуха и осадков, составленная по данным Покровской гидрометеостанции (ГМС) (табл. 1).
Среднегодовая температура составляет —10,2 С. Средняя температура зимних месяцев равна -34, -41 С, июля +17, +18С. Разность средних температур самого холодного и самого теплого месяцев (январь и июль) — показатель континентальности климата — в районе пос. Мохсоголлох достигает мирового максимума (62 С), абсолютные же колебания температур равны 100-102 С. Большая амплитуда колебаний температуры воздуха связана с высокой прозрачностью атмосферы и малой облачностью. Эти условия благоприятствуют как быстрому повышению температуры воздуха, так и не менее быстрому ее понижению, что весной и осенью часто приводит к возникновению заморозков.
Характерной чертой температурного режима является также быстрое нарастание среднесуточных температур весной и быстрое падение их осенью, поэтому переход от зимы к лету и от лета к зиме очень резкий (Гаврилова, 1973; Атлас...., 1989).
По данным Покровской ГМС, в районе исследования преобладают ветра северо-восточного направления (рис. 2). Это обусловлено тем, что поселок расположен на открытом и высоком берегу реки Лены. Поэтому именно ветра с речной стороны (юго-западные), как правило, переносят воздушные массы в северо-восточном направлении.
Химический состав снежного покрова
Свойства внешней среды определяются степенью воздействия различных факторов, как антропогенных, биотических, так и абиотических, включающих в себя температуру, влажность, почву и другие показатели. Поэтому рекомендуется учитывать естественное содержание в окружающей среде многих химических элементов и их соединений. Как отмечает в своем труде «Геохимическая экология» В.В. Ковальский (1974), естественные химические свойства окружающей среды обусловлены историей местности, химическим составом почвообразующих пород, внутренними водами и атмосферой.
Техногенные нагрузки на природную среду вокруг промышленных предприятий зависят от многих факторов. При этом должны учитываться, прежде всего, объемы выбросов в атмосферный воздух и сбросов в поверхностные и подземные воды веществ, загрязняющих окружающую среду, площадь непосредственного механического разрушения почвенно-раститель-ного покрова в районе действия промышленных предприятий, местных производств, продолжительность техногенной нагрузки, природные условия (климатические, географические особенности, рельеф местности и т.д.).
В этой связи атмосферный воздух является одним из основных переносчиков загрязняющих вредных веществ на значительные расстояния от источника выявленного загрязнения. При экологических исследованиях состояния окружающей природной среды продуктами атмосферного переноса в качестве депонирующей среды для поллютантов используют обычно снежный покров территории, прилегающей к промышленным предприятиям. Снежный покров фиксирует суммарную пылегазовую нагрузку на ландшафт, которая проецируется в течение довольно длительного периода (с октября по апрель).
Химический состав снежного покрова формируется за счет поступления твердых осадков техногенной пыли, поглощения газов, аэрозолей, взаимодействия снегового покрова с почвой и растительностью, а также связан с производственной деятельностью человека и таким образом, с успехом используется при оценке химического и геохимического состава атмосферных выбросов. Исследования загрязнения снежного покрова позволяют определять мощность выбросов предприятий и их вещественный состав, вовлекаемые в дальний и локальный перенос загрязнители. Анализ полученных данных дает возможность оценить уровень загрязнения атмосферы, техногенной нагрузки на местность и масштабы распространения загрязняющих веществ по территории расположения промышленного и хозяйствующего объекта (Иванов, 2005).
В Российской Федерации повышенное внимание уделяется загрязнению окружающей природной среды индикатором, которого является снежный покров. В работе Н. Ф. Глазовского (1975) изучался химический состав снежного покрова некоторых районов Верхнеокского бассейна. Так же имеются работы по методике отбора проб снега и оценке загрязнения снежного покрова (Метод интегральной оценки.., 2000; Сергеева, 2001).
Сведения о содержании химических элементов в снежном покрове Якутии до 80-х годов XX века полностью отсутствуют. Начиная с середины 80-х годов, по геохимии снежного покрова Якутии и ее урбанизированных территорий появляется ряд работ (Макаров, 1984, 1990; Экогеохимия..., 1993; Макаров, 1994,1996; Соромотин, 2002; Иванов, 2005; Шашурин, 2006 и др.). По данным изучения снежного покрова установлены факты загрязнения окружающей среды выбросами предприятий угольной, алмазо- и золотодобывающей, а также цементной промышленности. Комплексные экологические исследования показали наличие вредных химических элементов в снежном покрове окр. гг. Якутска, Нерюнгри, Мирного и пос. Мохсоголлох.
