Зубарева О.Н., Скрипальщикова Л.Н., Перевозникова В.Д
Институт леса им. С.Н.Сукачева СО РАН

По уровню загрязнения атмосферного воздуха г. Красноярск занимает второе место в крае после г. Норильска. Рекогносцировочное обследование лесных массивов, непосредственно примыкающих к городу, показало, что наиболее загрязнены насаждения, расположенные на пути переноса техногенных выбросов города в розе преобладающих западных ветров, в восточной части зеленой зоны города. Они аккумулируют в 2-4 раза больше пыли, чем насаждения, произрастающие вне зоны расположения промышленных предприятий и розы ветров. Так, например, сосняки, находящиеся вне зоны промвыбросов задерживают 0,02-0,06 т/га пыли, тогда как городские насаждения аккумулируют до 0,55 т/га. В зимний период в снежном покрове пригородных лесов накапливается пыли 0,4-0,8 т/га, особенно это характерно для лесных массивов восточной окраины города.

Протяженность воздействия и конфигурация площади повреждений зависят от мощности эмиссий, местных метеорологических условий, рельефа местности. Площадь загрязнения вокруг источника чаще всего представляет собой форму эллипса, вытянутого в направлении господствующего ветра (Смит, 1985). Однако в условиях пересеченной местности этот принцип может нарушаться. Так, ореол загрязнителей вокруг г. Красноярска имеет иную форму (рисунок).

Рис. Зоны техногенного загрязнения г. Красноярска и его пригородов (изображение со спутника NOAA/AVHRR 9 марта 1995 г. по снеготаянию).

Наиболее агрессивным действием на окружающую среду обладают газообразные загрязнители, которые относительно легко внедряются в круговорот веществ. Главным токсическим веществом в промышленно развитых странах является двуокись серы. Двуокись серы вредно действует на органы дыхания человека и животных, повреждает ассимиляционный аппарат растений, вызывает коррозию металлов и является причиной значительных разрушений материалов на производственных установках (Лесные ..., 1990). До определенного предела двуокись серы может аккумулироваться растениями и не вызывать нарушения обменных процессов. Установлено, что в хвое сосны, произрастающей в восточной части зеленой зоны города, накапливается в 1,5-2 раза серы больше, чем в фоновых насаждениях (Зубарева, 1993).

Загрязняющие вещества, поступающие в атмосферу, могут быть твердыми, жидкими или газообразными. Концентрация поллютантов в атмосфере и их распространение зависит от метеорологических условий, количества поступающей солнечной энергии и турбулентности воздушных масс. В результате окисления, восстановления, конденсации, реакции токсических веществ между собой под воздействием солнечного света, в атмосфере образуются новые соединения (Влияние ...., 1981).

Эксгалаты, выбрасываемые в атмосферу, по величине частиц, электромагнитному спектру и скорости оседания в воздухе под влиянием силы тяжести можно условно разделить на пыль (диаметр частиц от 0,5 до 2000 мкм); пары и туманы (диаметр частиц от 0,03 до 100 мкм); дым (размер частиц от 0,01 до 1 мкм).

В состав пыли могут входить литейный песок, удобрения, пылевидный уголь, цемент, летучая зола, пигменты, пыльца и споры растений, бактерии, частицы почвы. В составе паров и туманов возможны различные соединения, кислоты, пары окислов цинка, хлористого аммония, туман SOз и т.д. В состав дыма — нефтяной, смоляной, табачный и углеродный дымы и газы.

По химическому составу (с учетом токсического действия на растения) эксгалаты можно разделить на: 1) кислые газы, обладающие наибольшей токсичностью для растений (фтор, хлор, сернистый и серный газы, окислы азота, окись углерода, окислы фосфора, сероводород); 2) пары кислот (соляной, азотной, хлорной, фосфорной, серной и органических, туман серной и соляной кислот); 3) окислы металлов (свинца, мышьяка, селена, цинка, магния и др.); 4) щелочные газы (аммиак); 5) пары металлов (ртуть); 6) различные органические газы и канцерогенные вещества (Николаевский, 1979).

Загрязнение воздуха промышленными выбросами приводит к уменьшению флористического богатства и сукцессионному смещению ярусов растительности, начиная с полога древостоя (МакКленахен, 1982). В экстремальных ситуациях лесные сообщества прежде всего теряют чувствительные виды растений, а затем лишаются древесного полога, сохраняя лишь покров из кустарников и трав (Смит, 1985). Поэтому особую ценность для таких крупных промышленных центров как г. Красноярск имеют городские и пригородные леса, выполняющие важнейшие экологические, санитарно-гигиенические, водоохранные, средоулучшающие, рекреационные, оздоровительные и эстетические функции.

Зеленая зона г. Красноярска расположена на стыке разных физико-географических областей -Среднесибирского плоскогорья и гор Южной Сибири. Согласно схеме лесорастительного районирования (Типы лесов ..., 1980) она входит в состав двух лесорастительных областей — Среднесибирской плоскогорной и Алтае-Саянской горной и включает три типа высотно-поясных комплексов (ВПК) типов леса. Лесистость территории в среднем составляет 60-65%, снижаясь в Красноярско-Канской лесостепи до 30% (Чередникова и др., 1999). В настоящее время леса в окрестностях города испытывают высокие рекреационные нагрузки и подвержены воздействию выбросов 123 промышленных предприятий. В их выбросах присутствует большое количество пыли и газообразных загрязнителей таких как: диоксид серы, сероводород, окислы азота, фтористые соединения, фенол, хлористый водород, аммиак, формальдегид. Наиболее токсичны для растений газообразные соединения серы и фтора.

Соседство с таким крупным промышленным центром заповедника предполагает всестороннее изучение влияния города на его состояние. Заповедник «Столбы» расположен вне преобладающего переноса техногенных выбросов, но при неблагоприятных метеорологических условиях может испытывать воздействие загрязненного городского воздуха. Целью проведенных исследований являлось выяснение степени влияния промышленных выбросов г. Красноярска на лесные сообщества заповедника, примыкающие к городским лесам.

Качество состояния окружающей среды можно оценивать прямо — через непосредственное наблюдение или косвенно через биоиндикаторы. В качестве индикационного признака для определения стрессовой нагрузки может быть использовано накопление загрязнителя, постепенно превышающее нормальный уровень (Биоиндикация ..., 1988). Существуют различные формы биоиндикации: неспецифическая и специфическая.

Многие исследователи отмечают увеличение содержания серы в листьях растений, произрастающих в условиях промышленной среды (Подзоров, 1972; Чуваев и др., 1973; Сидорович, Гетко, 1985). Однако при высоких концентрациях двуокиси серы в воздухе, адсорбируемые растением окислы серы, накапливаются в нем до порогового уровня, превышение которого вызывает развитие видимых признаков повреждения (Linzon, 1976; Rennenberg, 1984). Следовательно, по накоплению серы в хвое и листьях растений, растущих в загрязненной атмосфере в, в сравнении с ее количеством у этих видов из чистой атмосферы, можно определить уровень загрязнения воздуха.

Для этого на территории заповедника были собраны образцы хвои основных лесообразующих пород (Pinus sylvestris, P. sibirica, Abies sibirica) для определения в хвое этих растений общей серы. Количество серы в образцах определялось после мокрого озоления их в смеси концентрированных хлорной и азотной кислот турбодинамически, в присутствии детергента Твин-80 (Маслов, 1978).

Содержание серы в хвое сосен, произрастающих на территории заповедника, колеблется в пределах 0.8-1.2 мг/г а.с. массы, что не превышает фоновый уровень для этой породы. Количество серы в хвое пихты находится в пределах 0.8-1.1 мг/г а.с. массы, что также соответствует фоновому уровню, установленному А.Л. Батраевой (1990) для пихты сибирской. Аналогичный фоновый уровень содержания серы в хвое пихты сибирской подтверждается нашими исследованиями, проведенными в этом регионе (Третьякова, Зубарева, Бажина, 1996). Содержание серы в хвое кедра — 0.9-1.1 мг/г а.с. массы, вероятно, также можно считать фоновым уровнем для этого древесного растения. Полученные данные показали, что по уровню содержания серы в хвое основных лесообразующих пород лесные сообщества, произрастающие на территории заповедника, в настоящее время можно отнести к условно чистым.

Для оценки воздействия загрязнителей на лесные экосистемы необходимо сопоставлять морфометрические и таксационные показатели древостоев, изменение их производительности с данными накопления поллютантов в хвое и годичных кольцах деревьев, а также содержанием их в воздухе. Оценка жизненного состояния растительности, как правило, проводится по характеристике кроны и отражает кумулятивный ответ дерева на условия внешней среды, в том числе и на воздействие загрязнителей. Шкала имеет пять оценочных категорий: условно здоровые, слабо-, средне-, сильно пораженные и деградированные древостои (Шяпятене, 1987; Алексеев, 1990; Крючков, 1991).

На территории заповедника 56% обследованных лесов здоровые, с признаками начального повреждения — 18%, поврежденные составляют 26%, сильно поврежденных древостоев в заповеднике нет (Власенко, 1999). Комплекс визуальных, химических и физико-химических исследований, проведенных Р.А Степенем с соавторами (1996) также свидетельствует об относительной устойчивости этих лесов, а на 64.6% территории заповедника уровень загрязнения не превышает околофоновых значений (Коловский, Бучельников, 2000).

Помимо газообразных загрязнителей промышленные предприятия выбрасывают в атмосферу большое количество пыли. Красноярск является вторым в Красноярском крае по уровню загрязнения пылью. В атмосфере города за год отмечено 17 случаев, когда концентрация пыли превышала ПДК в 17 раз. Среднегодовая концентрация пыли 0.254 мг/м3 (О состоянии ..., 1999).

О величине поступления техногенного вещества в экосистемы можно судить по количеству его накопления в снежном покрове, выполняющем роль сорбента. В зимний период снежный покров концентрирует химические элементы, мигрирующие воздушным путем и до весны вся их масса консервируется в снеге. Исследования показали, что в зимний период в лесных массивах заповедника, произрастающих в зоне контакта с городскими лесами накапливается количество пыли значительно превышающее фоновый уровень (1.0-1.2 г/м2) для открытого места (Скрипальщикова, 1992).

Характер накопления пыли в снеге контактной зоны заповедника неодинаков. Четко прослеживается снижение содержания пыли в снеге по мере продвижения вглубь заповедника. Так, в районе Фермы в снеге содержится 4.37 г/м2 пыли, что составляет только 24% от ее количества в районе р. Лалетиной и 33% на северо-восточном склоне, обращенном к городу (таблица).

Таблица

Содержание пыли в снежном покрове контактной зоны
заповедника Столбы

Величина рН в атмосферных осадках является одним из физико-химических показателей, позволяющих судить о составе их ингредиентов и в какой-то мере их природе. По данным Е.А. Сидорович и С.А. Сергейчик (1984) в районах концентрации ряда химических предприятий в городах Белоруссии, поступающие в атмосферу соединения серы, азота, тяжелых металлов придают снежному покрову кислую реакцию (рН 3.3-4.0), что отрицательно влияет на рост и развитие растений. По мере удаления от промышленных центров происходит постепенное уменьшение поступления токсикантов в окружающее пространство, что проявляется в снижении кислотности снежного покрова до рН 4.1-4.8. В районах, имеющих крупные заводы по производству строительных материалов, рН снега около 5.6, что объясняется подщелачивающей способностью ионов кальция и магния.

Определение рН смывов с поверхности листьев березы, сосны, растений живого напочвенного покрова, проведенное в березняках, произрастающих на Торгашинском хребте показало, что растворы имеют близкую к нейтральной реакцию — 6.4. При этом величина рН промывных вод с живого напочвенного покрова имеет более щелочную реакцию, чем растворы смывов с листьев и хвои. Измерения рН талой воды образцов снега также показали их щелочную реакцию, что связано с выпадением в этом районе пылевидных загрязнителей с ТЭЦ-2, цементного завода и присутствием в них большого количества растворимых солей кальция, калия, магния (Зубарева и др., 1999). Талая снеговая вода на границе заповедника имеет более щелочную реакцию, чем во внутренних его частях (таблица).

Показатель рН талой воды образцов снега, собранных в пригородных лесах имеет слабо щелочную реакцию (7,2-8,2). Постоянное подщелачивание почвенного раствора за счет жидких осадков летом и слабощелочной талой воды весной может изменить рН почвенного раствора в исследуемых древостоях, что в конечном итоге неблагоприятно скажется на уровне минерального питания, а вследствие этого на росте и продуктивности исследуемых насаждений.

Проведенные исследования показали, что, несмотря на близкое расположение заповедника «Столбы» к городу Красноярску, на его территории влияние промышленного загрязнения слабо выражено. Это связано, с одной стороны, местоположением заповедника вне зоны преобладающего переноса техногенных выбросов, с другой, абсолютной высотой, экспозицией и крутизной склонов на его естественных границах с городом, которые испытывают наибольший антропогенный пресс.

Литература

1. Алексеев В.А. Диагностика жизненного состояния деревьев и древостоев// Лесоведение. 1989. N 4. С. 51-57.

2. Биоиндикация загрязнений наземных экосистем. М.: Мир, 1988. С. 348.

3. Власенко В.И., Овчинникова Т.М., Панюшкина И.П. Динамика лесов Восточного Саяна (на примере заповедника "Столбы«)//Ботанические исследования, вып. 7. Красноярск, 1999. С. 23-72.

4. Влияние загрязнителей воздуха на растительность. М.: Лесная промышленность, 1981. 181 с.

5. Зубарева О.Н. Влияние выбросов промышленных предприятий в Средней Сибири на сосну обыкновенную (Pinus sylvestris L.) //Автореф. дис. канд. биол. наук. Красноярск,. 1993. 21 с.

6. Зубарева О.Н., Скрипальщикова Л.Н., Перевозникова В.Д. Аккумуляция пыли компонентами березовых фитоценозов в зоне воздействия известняковых карьеров //Экология, 1999. № 5. С. 339-343.

7. Коловский Р.А., Бучельников М.А. Лихеноиндикационное картирование территории заповедника «Столбы» //ГИС в научных исследованиях заповедников Сибири. Тезисы докладов. Красноярск, 2000. С. 60-61.

8. Крючков В.В. Предельные антропогенные нагрузки и состояние экосистем Севера//Экология, 1991. № 3. С. 28-40.

9. Лесные экосистемы и атмосферное загрязнение. Л.: Наука, 200 С.

10. МакКленахен Дж. Р. Изменения в лесном сообществе в связи с загрязнением воздуха//Взаимодействие лесных экосистем и атмосферных загрязнителей. Таллин, 1982. Ч. 1. С. 38-42.

11. Маслов Ю.И. Микроопределение серы в растительном материале //Методы биохимического анализа растений. Л.: Ленинградский ун-т, 1978.-С.146-155.

12. Николаевский В.С. Биологические основы газоустойчивости растений. Новосибирск, Наука, 179. 278 с.

13. О состоянии окружающей природной среды Красноярского края в 1998 году. Ежегодный доклад. Красноярск, 1999. 180 с.

14. Подзоров Н.В. Накопление соединений серы в хвое сосны под влиянием дымовых выбросов. М.: Лесная промышленность, 1972. С. 29-31.

15. Сидорович Е.А., Сергейчик С.А. Физиолого-биохимические критерии влияния промышленных эмиссий на растения и биоиндикация загрязнения воздуха //Влияние промышленных предприятий на окружающую среду". Звенигород, 1984. С. 177-179.

16. Скрипальщикова Л.Н. Пылеаккумулирующая способность сосновых и березовых фитоценозов лесостепных районов Сибири //География и природные ресурсы. 1992. № 1. С. 39-44.

17. Смит У.Х. Лес и атмосфера. М.: Прогресс, 1985. 430 с.

18. Степень Р.А., Коловский Р.А., Калачева Г.С. Влияние техногенных выбросов на состояние пригородных лесов Красноярска //Экология, 1996, № 6. С. 410-414.

19. Типы лесов гор Южной Сибири. Новосибирск: Наука, 1980. 336 с.

20. Третьякова И.Н., Зубарева О.Н., Бажина Е.В. Влияние загрязнения среды окислами серы на морфоструктуру крон, гегнеративную сферу и жизнеспособность пыльцы у пихты сибирской в Байкальском регионе //Экология, 1996. № 1. С. 17-24.

21. Чередникова Ю.С., Молокова Н.И., Перевозникова В.Д. Особенности типологической структуры лесов зеленой зоны г. Красноярска //Ботанические исследования в Сибири. Красноярск: Изд-во КГУ, 1999. Вып. 7. С. 176-180.

22. Чуваев П.А., Кулагин Ю.З., Гетко Н.В. Вопросы индустриальной экологии и физиологии растений. Минск: Наука и техника. 1973.

23. Шяпятене Я. О выборе показателей для мониторинга лесных экосистем //Биомониторинг лесных экосистем. Каунас, 1987. С. 108-111.

24. Linzon S.N. Effects of airborne sulfur pollutants on Plants//Sulfur in the environment. 1976. P. 110-157.

25. Rennenberg H. The Fate of excess sulfur in higher plants//Ann. Rev. Plant Physiol. 1984. 35. P. 445-453.