Введение к работе
Актуальность темы. Оценка загрязнения окружающей среды и ее влияние на жизнедеятельность биоты является актуальной темой в условиях возрастающей техногенной нагрузки. Изучение загрязнения окружающей среды осуществляется в основном инструментальными методами, обладающими следующими недостатками:
- вследствие высокой динамики рассеивания и вымывания загрязняющих веществ (ЗВ) из атмосферы мониторинг может осуществляться только с использованием широкой сети стационарных постов наблюдения. На обширных географических территориях создание такой сети требует больших технико-экономических затрат;
- инструментальные методы контроля позволяют измерить концентрации ограниченного числа ЗВ, интегральное влияние которых на биоту с учетом их взаимодействия не учитывается особенно на обширных географических территориях, где реализуется разнообразное комплексное взаимодействие биологических, метеорологических и антропогенных факторов.
Указанных недостатков лишена биоиндикационная методика интегральной оценки геоэкологического состояния атмосферы, позволяющая сделать вывод о комфортности проживания населения в различных районах техногенно нарушенных территорий.
В развитие методики внесли существенный вклад: Б.Л. Астауров, В.М. Захаров, С.В. Петухов, Н. В. Глотов, А.Т. Козлов, И.И. Косинова, А.И. Федорова, А.И. Зотин, В.И. Борисов.
Преимущества биоиндикационной методики:
- биоиндикаторы, в частности древесные растения, произрастают на техногенно нарушенных территориях с шагом требуемым для квазистационарной оценки геоэкологического состояния атмосферы;
- отклик биоиндикаторов интегральный, определяемый воздействием всех ЗВ за время от начала вегетации до момента отбора проб;
- выращивание биоиндикаторов требует незначительных финансовых затрат, они не требуют обслуживания и могут использоваться в течение многих лет;
- указанные особенности биоиндикаторов определяют низкую стоимость биоиндикационных исследований на обширных территориях.
В то же время существующая биоиндикационная методика имеет и ряд существенных недостатков:
- не исследована селективность биоиндикаторов, т.е. вклад в биоиндикационные показатели атмосферных и почвенных (грунтовых) поллютантов;
- не исследовано биологическое старение биоиндикатора в течение биоиндикационного периода;
- не учитывается влияние метеорологических факторов предбиоиндикационного и биоиндикационного периодов;
- не достаточно исследована система «техногенно нарушенная окружающая среда - биоиндикатор», не построена ее модель, вследствие чего существующая методика недостаточно обоснована, и невозможно оценить вероятности ошибочной классификации состояния окружающей среды.
При ликвидации указанных недостатков модифицированная биоиндикационная методика может являться более эффективным и низкозатратным инструментом интегральной оценки геоэкологического состояния атмосферы на обширных географических территориях, что и определяет актуальность темы исследования.
Объект исследования - приземная атмосфера техногенно нарушенных территорий.
Предмет исследования - геоэкологическое состояние приземной атмосферы техногенно нарушенных территорий.
Научная задача - построение моделей и модификация методики биоиндикационной оценки геоэкологического состояния приземной атмосферы техногенно нарушенных территорий лесостепной зоны Европейской части России.
Цель исследования - обеспечение интегральной биоиндикационной оценки геоэкологического состояния атмосферы на обширных территориях за счет комплексного учета биологических, метеорологических и антропогенных факторов.
Задачи исследования:
1. Анализ литературных источников по биоиндикационным исследованиям техногенно нарушенных территорий и выбор биоиндикатора.
2. Проведение экспериментальных исследований отклика биоиндикатора на техногенное загрязнение атмосферы.
3. Построение моделей отклика биоиндикатора на геоэкологическое состояние атмосферы.
4. Модификация методики биоиндикационных измерений геоэкологи-ческого состояния атмосферы техногенно нарушенных территорий.
Область исследования. Содержание диссертационной работы соответствует паспорту специальности 25.00.36 - Геоэкология (Науки о Земле) по следующим пунктам области исследования:
- 1.8. Природная среда и геоиндикаторы ее изменения;
- 1.12. Геоэкологический мониторинг и обеспечение геоэкологической безопасности, средства контроля;
- 1.14. Моделирование геоэкологических процессов;
- 1.17. Геоэкологическая оценка территорий.
Методы исследования. При решении поставленных задач использовались методы: эколого-географических исследований (сравнительно-географический, картографический, эколого-географических наблюдений); математической статистики; неравновесной термодинамики открытых систем; вычислительной математики; математического моделирования.
Научная новизна диссертационной работы.
1. На основании проведенных экспериментальных исследований биоиндикатора установлены новые отличительные особенности:
- выявлен пороговый уровень загрязнения почвы (грунтов), превышение которого не позволяет считать тополь пирамидальный селективным атмосферным биоиндикатором;
- установлено, что на биоиндикационные значения в зонах природного и техногенного фона сходно влияет биологическое старение биоиндикатора, что необходимо учитывать при разработке методики биоиндикации;
- выявлено устойчивое в течение всего биоиндикационного периода отличие биоиндикационных данных в зонах природного и техногенного фона, зависящее от уровня загрязнения атмосферы.
2. Построены модели отклика биоиндикатора на геоэкологическое состояние атмосферы, отличающиеся учетом атмосферной техногенной нагрузки, старения биоиндикатора и метеорологических факторов.
3. Модифицирована методика биоиндикационных измерений геоэко-логического состояния атмосферы техногенно нарушенных территорий. Отличительные особенности:
- определен коэффициент биологической чувствительности тополя пирамидального к интегральному загрязнению атмосферы;
- построена биоиндикационная геоэкологическая диаграмма отклика биоиндикатора на техногенное загрязнение атмосферы, позволяющая классифицировать уровень ее загрязнения по трем рангам;
- оценены вероятности правильной классификации геоэкологического состояния атмосферы по выбранным экологическим рангам.
Достоверность результатов работы достигнута корректной постановкой задач исследования; большим объемом используемой репрезентативной базы данных; использованием апробированного математического аппарата; согласованностью в частных случаях с результатами, полученными другими авторами.
Фактический материал и информационная база исследования. Диссертационная работа является результатом исследований проведенных в период с 2008 г. по 2011 г. В основу положены результаты полевых наблюдений за популяциями пирамидальных тополей в зоне техногенного фона (г. Воронеж) и в зоне природного фона, вблизи Воронежского государственного природного биосферного заповедника (далее - заповедник).
Кроме того, использованы:
- метеорологические данные и данные о значениях концентраций изучаемых химических веществ в зоне природного фона, предоставленных Воронежским областным центром по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды;
- данные о значениях концентраций изучаемых химических веществ в зоне техногенного фона, предоставленных управлением по охране окружающей среды департамента общественной безопасности администрации городского округа г. Воронеж.
Практическая значимость. Разработанная биоиндикационная методика оценки геоэкологического состояния атмосферы техногенно нарушенных территорий является оперативным и низкозатратным инструментом экологического мониторинга больших географических территорий.
Апробация работы произведена в форме докладов на различных научных конференциях. Годичная сессия Научного совета РАН по проблемам геоэкологии, инженерной геологии и гидрогеологии, (Москва, Президиум РАН, 2008). «Месторождения природного и техногенного минерального сырья: геология, геохимия, геохимические и геофизические методы поисков, экологическая геология»: Международная конференция, посвященная 90-летию Воронежского государственного университета, (Воронеж, ВГУ, 2008). «Обеспечение экологической безопасности в чрезвычайных ситуациях»: 3-я международная научно-практическая конференция (Воронеж, ВГТУ 2007, 2008). «Экологическая геология: теория, практика и региональные проблемы»: 2-я международная научно-практическая конференция (Воронеж, ВГУ 2011). Научная сессия Воронежского государственного университета, секция экологической геологии (Воронеж, ВГУ, 2008, 2009, 2010).
Защищаемые положения:
1. Обоснование выбора биоиндикатора и оценка его геоэкологической селективности.
2. Результаты экспериментальных исследований отклика биоиндикатора на техногенное загрязнение атмосферы и их анализ.
3. Модели отклика биоиндикатора на геоэкологическое состояние атмосферы
4. Модифицированная методика биоиндикационной оценки геоэкологического состояния атмосферы техногенно нарушенных территорий.
Структура и объем работы: диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованных литературных источников (включающего 124 наименования, в том числе 6 на иностранном языке), четырех приложений. Объем диссертации составляет 137 страниц, включая 57 рисунков, 36 таблиц.
