Содержание к диссертации
Введение
1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ОБОСНОВАНИЕ ВЫБОРА 9
2. ПРИРОДНЫЕ УСЛОВИЯ РАЙОНА ИССЛЕДОВАНИЙ
2.1.Климат 21
2.1.1. Характеристика климата за многолетний период 21
2.1.2. Метеоданные в годы исследований 24
2.2. Рельеф и геологическое сложение 26
2.3. Почвенный покров 28
2.4. Растительность 29
3. ПРОГРАММА, МЕТОДИКА И ОБ^ЕМ.ВЫПОЛНЕННЫХ РАБОТ
3.1. Программа исследований 32
3.2. Основные методические положения 33
3.2.1. Диагностика повреждений, вызванных магнезитовой пылью 33
3.2.2. Методы повышения устойчивости растений при лесовосстановлении 35
3.3. Методика исследований 36
3.3.1. Исследование состояния насаждений в зонах магнезитовых запылений 36
3.3.2. Постановка вегетационных опытов 38
3.3.3. Закладка опытных культур 39
3.3.4. Проведение фенологических наблюдений, физиологических и анатомо-морфологических исследований 42
3.3.5. Исследования снега и почв 43
3.4. Объем выполненных работ 44
4. МАГНЕЗИТОВАЯ ПЫЛЬ КАК ЭКОЛОГИЧЕСКИЙ ФАКТОР
4.1. Качественный и количественный состав выбросов
4.1.1. Особенности технологии обжига магнезитового сырья и состав выбросов 46
4.1.2. Объемы выбросов 52
4.2. Уровень загрязненности водных источников :... 53
4.3. Экологическая оценка технологии обжига магнезитового сырья 55
4.4. Зонирование территории запыления и общая характеристика зон 57
5. СОСТОЯНИЕ ЛЕСНОЙ РАСТИТЕЛЬНОСТИ В УСЛОВИЯХ МАГНЕЗИТОШХ ЗАПЫЛЕНИЙ
5.1. Характеристика древостоев 62
5.2. Характеристика подлеска и травяно-кустарничкового покрова 72
5.3. Характеристика возобновления 75
5.4. Анатомо-морфологические особенности хвои сосны 76
5.5. Производственный опыт создания культур сосны и лиственницы в условиях запыления 82
5.6. Обсуждение результатов 87
6. ЛЕСОРАСТИТЕЛЬНЫЕ СВОЙСТВА ПОЧВ
6.1. Морфологическая характеристика почвенного покрова района исследований 91
6.2. Химический состав почв 92
6.3. Группировка почв и зонирование территории запыления 99
6.4. Вегетационные опыты с субстратами, загрязненными магнезитовой пылью 102
7. ХАРАКТЕРИСТИКА ОПЫТНЫХ ЛЕСНЫХ КУЛЬТУР 105
7.1. Лесорастительные свойства почв 108
7.2. Приживаемость и рост опытных культур 120
7.2.1. Характеристика посадочного и посевного материала 120
7.2.2. Приживаемость и рост 122
7.3. Особенности развития корневой системы культивируемых растений 132
7.4. Анатомо-морфологические и физиологические особенности культур 135
7.5. Обсуждение результатов 141
8. СИСТЕМА МЕРОПРИЯТИЙ ПО ЛЕСОВОССТАНОВЛЕНИЮ В УСЛОВИЯХ МАГНЕЗИТОВЫХ ЗАБЫЛЕНИИ (предложения производству) 148
9. ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА ТЕХНОЛОГИИ СОЗДАНИЯ КУЛЬТУР 152
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 155
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 159
ПРИЛОЖЕНИЯ
- СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ОБОСНОВАНИЕ ВЫБОРА
- Характеристика климата за многолетний период
- Программа исследований
- Качественный и количественный состав выбросов
- Характеристика древостоев
Состояние вопроса и обоснование выбора
В ряде районов нашей страны, вследствие концентрации промышленного производства и недостаточной очистки выбросов, возникла проблема загрязнений окружающей среды выбросами различных предприятий. Урал, как высокоразвитый в промышленном отношении экономический район, стал одним из центров исследования проблемы промышленных загрязнении природных ландшафтов. Развитие урбанизации и рост промышленных объектов сопровождается рядом негативных явлений, в первую очередь чрезмерным скоплением в атмосфере различных газо- и пылеобразных выбросов. Растения отрицательно реагируют на наличие в воздухе, даже в малых дозах, токсических веществ. Однако само поражающее действие следует всегда определять на растении; нельзя говорить о повреждении только на основании факта повышения установленных предельно допустимых значений загрязнения воздуха или исключать действие отработанных газов как причину повреждения, если эти значения не превышают установленной величины (Lux, 1968). В зависимости от длительности и интенсивности воздействия выбросов, оно приводит к различным сдвигам и даже к гибели лесных биогеоценозов.
Загрязняющие вещества, поступающие в атмосферу с отходящими газами из установки, называются "выбросами" (Десслер, 1981). В настоящее время известно более 150 веществ, которые выбрасываются в атмосферу в больших количествах и расцениваются как вещества, загрязняющие воздух (Десслер, 1981). Они могут быть жидкими, твердыми или газообразными. Среди ингредиентов промышленных выбросов значительное место занимает пыль (Тарабрин, 1982). Характер распространения пылевидных выбросов,
после того как они попали в атмосферу, зависит в первую оче -10 редь от ветрового режима, который также зависит от метеорологических условий данного региона и рельефа местности.
Существенное влияние на скорость ветра и его завихрение оказывает лес, так как древостой сильно снижает скорость ветра и повышает турбулентность воздуха (Fiemming, 1967), особенно опушки леса. Лесные насаждения вблизи промышленных предприятий квалифицируются как промышленный фитофильтр, призванный локализовать и обезвредить токсичные выбросы (Кулагин, Сергей-чик, 1982; Григорьев, Юргенсон, 1982), а современную промышленную инфраструктуру и живую природу следует рассматривать как единую эколого-экономическую систему (Лемешев, 1975). Сосновый спелый высокополнотный древостой, например, является эффективным фильтром. Общая поверхность хвои у него, без учета площади ветвей и стволов, составляет 70-85 тыс. иг на I га. Он способен в 5 раз и более снизить уровень загрязнения среды пылевыми частицами, поглощая из атмосферы 400-600 кг пыли на I га в год (Григорьев, Юргенсон, 1982). Следовательно, высокие пы-лепоглотительные способности достигаются за счет исключительно большой адсорбционной поверхности соснового насаждения.
Действие промышленных выбросов на растения зависит от многих причин: вида выбросов и концентрации их в атмосфере; длительности воздействия; относительной восприимчивости видов растений или отдельных растений к выбросам; стадии физиологического развития, в которой находится растение или его часть в момент воздействия выбросов ( BBrtitz, 1974). Наиболее сущест- . венными факторами являются концентрации выбросов и длительность их воздействия (Венчиков, 1962; Альберт, 1971; Фоменко, Стре-калова, 1973).
Загрязняющие атмосферу промышленные выбросы отрицательно влияют на растения как путем прямого действия на ассимиляцион - II ный аппарат (Иванов, 1970; Шаблиовский, 1937; Thomas, Hill, 1937; Красинский, 1950; janei, 1954; Носырев, 1962; Николаевский, 1964; Holobrady, loth, 1969; Кулагин, 1974; Aucbair, 1976; Шилова, Лукьянец, 1979 и др.), так и путем косвенного воздействия через почву (v/isiiceiiius , 1898; Рябинин, 1962; Носырев, 1962; Кулагин, 1964; Holobrady а.о, 1969; Materna, 1978; Шилова, Лукьянец, 1979 и др.).
Влияние дымо-газовых выбросов промышленных предприятий на леса обычно распространяется на обширные площади и накладывает свой отпечаток на биологические процессы роста и развития как отдельных растений, так и лесных биогеоценозов в целом (Болтнева и др., 1982). Нарушая рост и развитие растений (Кулагин, 1964; Рябинин, 1965; Гудериан, 1979; Болтнева и др., 1982), промышленные выбросы могут снижать устойчивость их к другим неблагоприятным факторам: засухе, заморозкам, засолению почв (Lux, 1965; Bortitz, 1968). В.С.Николаевским (1979) была установлена общность процессов поражения листьев анионами независимо от способа поступления их (через корни или из воздуха). Г.М.Илькун (1971) высказал предположение о некоторой аналогии -между газо- и солеустойчивостью. Видимо, данные положения позволили многим исследователям связывать механизм проявления устойчивости растений к промышленным выбросам с другими видами устойчивости - засухоустойчивостью,солеустойчивостью, жароустойчивостью, морозоустойчивостью и др. (Николаевский, 1963, 1975; Кулагин, 1966, 1969, 1974; Пак, 1975; Николаевский и др., 1976). Пыль может (даже если она не токсична) снизить действие поступающего солнечного излучения или привести к перегреву листьев; в результате создается неблагоприятный баланс между синтезом сухого вещества и потерями на дыхание, что в любом случае выражается сокращением прироста ( steinhttbei, наіа«,І967).
Промышленные выбросы прежде всего действуют на ассимиляционный аппарат деревьев (Болтнева и др., 1982). Под влиянием двуокиси серы, например на хвое сосны, появляются некротические участки бурого цвета на конце хвоинок, по которым можно установить факт воздействия токсиканта, когда другие признаки еще себя не обнаруживают (Рябинин, 1965; йлькун, 1971). Данную особенность можно использовать при визуальной оценке степени повреждения деревьев. Воздействие выбросов на растительность значительно сильнее выражено в период ее интенсивного роста, чем в период покоя (Гудериан, 1979).
Под воздействием промышленных выбросов может нарушиться поверхностный восковой слой на хвое, который играет важную роль в регулировании водного баланса растениями ( Percy, Riding , 1978). Может измениться также относительное содержание почти всех аминокислот в листьях деревьев (Игнатенко, Тарабрин, 1980).
Характеристика климата за многолетний период
Саткинский район относится к горно-лесной климатической провинции (Сысоев, 1959). Он характеризуется умеренно холодной зимой и теплым, иногда жарким летом. Средняя продолжительность безморозного периода - 92 дня, наименьшая - 58 дней, наибольшая - 127 дней (Справочник..., 1966).
Для весны характерны резкие перепады от отрицательных к положительным температурам. Средняя месячная температура апреля на 10 выше, чем в марте. В мае и даже в июне бывают возвраты холодов, которые нередко сопровождаются выпадением снега.
Повышение местности на юге Урала наиболее отчетливо проявляется на распределении осадков, термических характеристик, активной метелевой деятельности и в общем нарушении широтной зональности элементов климата. Так, например, суммы положительных температур выше 5 составляют 1800-2200, а над горными хребтами - менее 1400 (Лебедев, 1958).
Наибольшее количество осадков отмечается в июле - 98 мм. Максимальная относительная влажность воздуха наблюдается в декабре - 81%, В соответствии с высокой относительной влажностью и низкими температурами минимальный дефицит влажности приходится на ноябрь-январь, когда средняя величина его не превышает 0,8 мбар. Минимальная относительная влажность отмечена в мае - 62$, а наиболее высокий дефицит влажности - в июне и в мае.
Самые низкие температуры на поверхности почвы и на глубине 20 см наблюдаются в январе и феврале —18 и -16, а самые высокие в июне и июле - 19 и 21 (табл. 2.1).
Программа исследований
Программа работ включает следующие вопросы:
1. Изучение количественного и качественного состава выбросов, определение их экологической значимости и механизма воздействия на растения.
2. Обследование состояния насаждений в условиях магнезитовых запилений и анализ лесокультурного дела в Саткинском мехлесхозе.
3. Исследование почв, подверженных магнезитовым запылениям и определение пригодности их для лесовосстановления, возможности применения мелиорантов и специальных способов подготовки почвы.
4. Постановка вегетационных опытов по выращиванию сеянцев сосны и лиственницы на субстратах, загрязненных магнезитовой пылью.
5. Закладка опытных культур сосны и лиственницы с применением мелиорантов и специальных способов подготовки почвы в зонах запыления.
6. Изучение водно-физических свойств, химического состава и микробиологической деятельности почв на опытных участках в динамике.
7. Проведение фенологических наблюдений, физиологических исследований и анатомо-морфологического анализа хвои в опытных культурах.
8. Разработка предложений производству по созданию культур хвойных пород в условиях магнезитовых запилений.
9. Экономическая оценка перспективных технологий создания культур хвойных пород в условиях магнезитовых запилений.
Качественный и количественный состав выбросов
В магнезитовом сырье, подаваемом в печь на обжиг, содержится до 20$ примесей, в том числе от 0,01 до 0,65% серы за счет присутствия пирита и частично сфалерита и барита, а также до 0,5% щелочей, вносимых гидрослюдами, полевыми шпатами, диабазом и др. Щелочи связаны с глинистой частью пород. Особенно высокое содержание щелочей (до 10%) наблюдается в глинистых сланцах. Фтор обнаруживается в количестве не более 0,01% за счет присутствия гидрослюд и частично апатита; в слюдах ионы ОН" частично замещены . Ниже Ю00С при нагреве и декарбонизации магнезита во вращающихся печах происходит окисление сульфидов с образованием серного ангидрида. Отходящие дымовые газы- обогащаются парами щелочей и фтором в результате возгонки их из глинистых примесей в сырье. Диссоциация МдСОз сопровождается значительным образованием магнезитовой каустической пыли, особенно в зонах подогрева и декарбонизации магнезита. Запыленность отходящих дымовых газов частицами каустического магнезита достигает 90 г/м . Температура отходящих газов в печи и газоходе - 500-Ю00С.
Основная масса пыли улавливается циклотронами и электрофильтрами (степень очистки - 98,5%), остальная выбрасывается в атмосферу, дисперсная каустическая пыль из электрофильтров и циклонов вновь возвращается в производство на обжиг во вра х Сводка о технологии обжига магнезитового сырья и химическом составе пыли дается по К.В.Симонову и др. (1979).
Важнейшим критерием оценки воздействия пыли является диаметр частичек (Десслер, 1981). Различают быстро осаждающуюся грубую пыль, медленно осаждающуюся мелкую (эти обе разновидно- сти называют седиментационной пылью) и высокодисперсную пыль (взвешенную, с очень низкой скоростью оседания). Эксгалакты, выбрасываемые в атмосферу, по величине частиц, электромагнитному спектру и скорости оседания в воздухе под воздействием силы тяжести условно разделяют на пыль (диаметр частиц - от 0,5 до 2000 мкм, спектр в инфракрасной области - от 420 до 0,7 мкм), пары и туманы (диаметр частиц - от 0,3 до 100 мкм, спектр в видимой области, скорость оседания меньше, чем у пыли), дым (размер частиц - от 0,01 до I мкм, спектр в ультрафиолетовой области, скорость движения частиц в результате броу-нова движения превышает скорость оседания) (Николаевский,1979).
Результаты ситового и седиментационного анализов (табл. 4.1 и 4.2) показывают, что размер частиц пыли, выбрасываемой в атмосферу в основном менее 10 мкм, причеи 58$ частиц имеют размер менее 5 мкм. Минимальный размер частиц - 0,1-0,4 мкм. Согласно приведенным выше придержкам, выбросы, образующиеся при обжиге магнезита, представлены пылью, парами, туманами и дымом, имеющими различные скорости оседания.
Характеристика древостоев
В первой зоне запыления (0,5-3 км от источника выбросов) насаждения отсутствуют. Площади представлены вырубками 20-30-летней давности, заросшие в основном пыреем ползучим, а также мятликом однолетним и овсяницей луговой. Сохранились пни в количестве 300-500 шт. на I га, а в некоторых труднодоступных местах неубранный сухостой (рис.5.1). На верхних и крутых частях склона:.:травостой развит слабо, наблюдается эрозия почв. В нижних частях склона, где сформировались полноразвитые достаточно плодородные почвы, травостой развит хорошо: биомасса в воздушно-сухом состоянии составляет 307-543 г/м . Местами сохранились биогруппами и одиночно береза, липа, лиственница в очень угнетенном состоянии (рис.5.2). Возобновление отсутствует.
Вторая зона запыления характеризуется наличием сосновых насаждений в угнетенном состоянии (табл. 5.1). На ветроударных от источника выбросов склонах отрицательное влияние пыли сильнее, чем на заветренных. На ветроударных склонах деревья сосны практически все суховершинные (85-95$), а средний их возраст составляет 65 лет. На заветренных склонах суховершинность деревьев достигает 60-70$, а продолжительность жизни их в среднем составляет 75 лет. Древостой более старшего возраста в условиях второй зоны не сохранились. Характерным признаком является высокая ажурность крон у деревьев сосны (рис. 5$. Хвоя располагается в основном на кончиках побегов, а продолжительность жизни ее составляет 2-3 года. Вследствие сильной ажурности крон и слабой сомкнутости их под пологом древостоев наблюдается сильная освещенность, которая достигает 8 от открытого места. Очень велика доля сухостоя, которая при отсутствии всяких рубок составляет 47-72$. Береза в данных условиях также имеет угнетенный вид, который выражается в слабом облиствении верхней части кроны и суховершинности отдельных деревьев.
Третья зона запыления характеризуется лучшим состоянием сосновых древостоев, чем вторая, однако отрицательное влияние выбросов выражено еще отчетливо: суховершинность деревьев достигает 35$; ажурность крон от слабой до средней, а сомкнутость их - 65-90$; сухих деревьев до 19$; возраст хвои до 3-х лет. Следует отметить, что состояние древостоев более старшего возраста по всем изученным показателям хуже, чем состояние молодых. Максимальный возраст древостоев более 100 лет, полнота повышается до 0,6-0,9.
