Анализ критериев опасности загрязнения атмосферы для растений

К.Б.Бакиров, к.г.н. (КРСУ); К.Д.Дуйшоков, к.ф.-м.н. (Институт автоматики НАН КР)

Целью этой работы является исследование вопроса влияния загрязнения атмосферы г. Бишкек на растительность. При этом рассматривались следующие вопросы: 1) значение растений в биосфере Земли; 2) роль растений в очищении атмосферы; 3) указание наиболее чувствительных растений для условий г. Бишкек; 4) оценка критериев опасности загрязнения и установления пороговых концентраций, приводящих к повреждению и гибели растений и 5)указание мероприятий которые способствуют уменьшению воздействия загрязнения атмосферы на растительность.

Растительность - не только продукт органической материи на земле, но также с ее значительным участием формируются почва, климат и погода, круговорот материи и энергии, создаются экологические условия, необходимые для существования всех других живых организмов, включая человека. Поэтому охрану природы на современном этапе следует рассматривать не столько как сохранение отдельных организмов и сообществ, а преимущественно как сохранение естественных процессов поддержания и регуляции круговорота веществ и энергии в биосфере, обеспечивающих продолжение жизни на земле [8]. Так как растительность (продуценты) стоит у истоков всех биогеохимических, экологических и энергетических процессов в биосфере, то она является одним из наиболее важных компонентов, определяющих благополучие биосферы и жизни на земле.

Уменьшение загрязнения среды следует добиваться преимущественно технологическими способами. Однако даже самые совершенные очистные сооружения не в состоянии избавить нас от выбросов вредных веществ. Среди вспомогательных способов регуляции чистоты воздуха большое значение, несомненно, имеет биологический способ (поглощение и переработка вредных веществ и газов растениями), так как афтоторфный характер метоболизма позволяет им ежедневно перерабатывать огромные массы воздуха.

Лес служит тем уникальным “насосом“, который перерабатывает и перекачивает “огрехи“ человеческой деятельности [8]. Известно, что в солнечный день, например, 1 га леса поглощает 220-280 кг диоксида углерода и выделяет 180-220 кислорода, а все леса планеты за год “пропускают“ через себя более 550 млрд. т диоксида углерода и возвращают человеку около 400 млрд. т кислорода. Кроме того, леса поглощают большое количество пыли (1 га леса за год - от 32 до 63 кг пыли в зависимости от своего состава), выделяют очень ценные для человека вещества - фитонциды, способные убивать болезнетворные микробы (1 га леса в сутки дает 2-4 кг фитонцидов, а 30кг их достаточно для уничтожения вредных микроорганизмов в большом городе).

Вредное влияние загрязненного воздуха на растения происходит, как путем прямого действия газов на ассимиляционный аппарат, так и путем косвенного воздействия через почву [8]. Причем прямое действие кислых газов приводит к отмиранию отдельных органов растений, ухудшению роста и урожайности, а также качества сельскохозяйственной продукции. Накопление же вредных веществ в почве способствует уменьшению почвенного плодородия, своеобразному засолению почв, гибели полезной микрофлоры, нарушению роста, отравлению корневых систем и нарушению минерального питания. Аккумуляция газа в экосистеме идет с участием трех компонент: растительности, почвы и влаги. В зависимости от погодно-климатических условий, солнечной радиации и влажности почв может изменяться поглотительная способность и удельный вес этих компонент.

Загрязнение атмосферы приводит к значительному повреждению растительности. Во многих городах и вблизи них исчезают сосна и другие породы деревьев. Например, в Центральной Европе повреждено почти 1 млн. га хвойных лесов, или 10% общей площади леса [8]. Общая площадь пораженных лесов, значительная часть которой связана с воздействием загрязнения атмосферы, в Европе (без СНГ) и Северной Америке составляет более 6 млн. га, в том числе в Германии - 39 млн. га, Польше - 0.38 млн. га, Чехии и Словакии 0.3 млн. га, в Канаде 1 - 1.5 млн. га, США - 0.5 млн. га.

Лишь благодаря поглотительной деятельности растений, почвенной и водной среды происходит очищение атмосферного воздуха. Однако возможности этих систем не безграничны. Более того, они не справляются с поглощением и обезвреживанием суммарного годового выброса. Этим можно объяснить “отказ” растительности регулировать содержание СО2 в воздухе [8]. Так, в Англии интенсивность фотосинтеза древесных насаждений снизилась более чем в 5 раз. Загрязнение воздуха из локального (до конца ХХ века) превратилась в глобальное. Доказано, что загрязненный воздух из Германии достигает Норвегии, Швеции, а из Японии – США.

Физические исследования позволили высказать гипотезу о причинах роста концентрации углекислого газа в атмосфере Земли [8]. С одной стороны, это вызвано ростом потребления, сжигания и переработки топлива и углеродосодержащих материалов, а с другой - уменьшением годичной продуктивности автотрофных организмов в наземных и водных экосистемах. Последнее вызвано: 1) заменой более продуктивных естественных лесных фитоценозов на искусственные и менее продуктивные (сельхоз. угодья занимают уже более 10% суши); 2) подавлением фотосинтеза у растений под влиянием повышения фона загрязнения воздуха, воды и почвы. Известно, что агроценозы, даже самые высокоурожайные, уступают естественным лесным фитоценозам по суммарной за год (на единицу площади) биологической продуктивности, а, следовательно, фотосинтезирующей деятельности, которая обеспечивает утилизацию CO2 и регенерации кислорода.

Подавление фотосинтеза у наземных растений на значительных площадях промышленных стран стало непреложным фактом, так как оно уже ощутимо при концентрации SO2 0.03-0.05 мг/м3. Следовательно, годовой выброс всех вредных эксгалатов на Земле приближается к предельному или допустимому уровню, который может утилизироваться и обезвреживаться в биосфере с участием (в первую очередь) продуцентов. Вместе с тем это заставляет искать и разрабатывать методы контроля качества среды и добиваться международного решения вопроса ограничения загрязнения биосферы.

Известны чувствительные растения - индикаторы, не выносящие даже очень слабого загрязнения воздуха. Под влиянием очень слабых концентраций сернистого газа мхи и лишайники первыми исчезают из состава фитоценозов. К действию фтора очень чувствительны гладиолусы.

Кислые газы, нарушая рост и развитие растений (неоднократная смена листьев, вторичный рост побегов, а иногда и вторичное цветение), могут снижать устойчивость их к другим неблагоприятным факторам; засухе, заморозкам, засолению почв.

Повреждения (ожоги) делят по характеру их проявления и изменению физиолого-биохимических процессов у растений на: острые (катастрофические), хронические и невидимые.

Различают пять степеней повреждения растений сернистым газом в зависимости от концентрации его и продолжительности поглощения листьями: отсутствие повреждений, скрытые, хронические, острые и катастрофические.

Активации повреждаемости растений газами способствует повышенная температура, влажность воздуха и солнечная радиация, т.е. факторы повышающих газообмен и поглощение токсичных газов. При пониженной освещенности и ночью повреждаемость растений уменьшается. Прекращение газообмена зимой у хвойных пород также предохраняет их от повреждений.

Исследования [8] показали, что зеленые растения более чувствительны к различным газам, чем животные и человек. Допустимая максимально- разовая концентрация SO2 для растений оказалось равной 0.02 мг/м3 (для животных и человека 0.05 мг/м3). Большая чувствительность растений связана с большей скоростью проникновения газа и автотрофным характером их метаболизма.

В табл.1, составленной [5] с учетом данных Фогля и др. [11] и Вейнстейна и Маккюна [12], существующие типы и масштабы последствий атмосферных загрязнителей на различных уровнях организации экосистемы предложены в качестве основы для дальнейших исследований. При таком сопоставлении устанавливается взаимосвязь между влиянием на клеточном уровне и реакциями всего растения или даже растительного сообщества в целом. Процесс воздействия начинается с поступления загрязнителя в клетку, далее на растительный организм и, в конечном счёте на растительные сообщества в целом.

Прежде чем дадим оценку влияния вредных примесей на растения, рассмотрим уровень загрязненности атмосферы г. Бишкек, который наблюдался в период наибольшего развития промышленности. Уровень загрязнения воздуха в Бишкеке в конце 80-х годов был очень высоким [2]. Для атмосферы города характерно было значительное содержание пыли и бенз(а)пирена: средние за год концентрации составляли соответственно 7 и 14 ПДК. Наибольшие уровни содержания бенз(а)пирена наблюдались вблизи вокзала и железной дороги. В 6 км от железной дороги концентрация снижается почти в 8 раз. Максимальные разовые концентрации пыли, окиси углерода и двуокиси азота составляют 10-16 ПДК, других веществ 2-3 ПДК. Существенный вклад в высокий уровень запыленности воздуха вносили северная промышленная зона, а также ТЭЦ-1, мелкие котельные предприятия легкой и пищевой промышленности.

Таблица 1

Классификация действия атмосферных загрязнителей на растения