Аккумулирующая способность и стабильность развития березняков разнотравных в зоне влияния промышленных выбросов

Введение. Основным предназначением пригородных лесов является выполнение ими средообразующих, санитарно-гигиенических, рекреационных функций [1–3]. В зависимости от формы и интенсивности антропогенного воздействия в пригородных лесных экосистемах могут возникать и развиваться деструктивные и восстановительные сукцессии [4, 5]. Пригородные леса являются важнейшим объектом исследований как лесной экологии, так и экологии города. Особенно актуально в условиях постоянно действующих высоких техногенных нагрузок изучение устойчивости лесных сообществ и определения их экологических рисков по отношению к деятельности человека [6].

Цель исследований : определение аккумулирующей способности березняков разнотравных, произрастающих в Красноярской лесостепи в зоне влияния алюминиевого производства и тепловой станции, и оценка их стабильности развития по индексу флуктуирующей асимметрии листовой пластинки.

Объекты и методы исследований. Объектами исследований служили березняки разнотравные V класса возраста, II-III классов бонитета, полнотой 0,5–0,9, произрастающие под влиянием выбросов КрАЗа, ТЭЦ-3 и автомобильного транспорта (рис. 1). В качестве конт р оля был выбран березняк разнотравный V класса возраста, II класса бонитета, полнотой 0,8 в Маганском лесничестве в 40 км от г. Красноярска.

Экспериментальные исследования по выявлению техногенных нагрузок на березовые насаждения в зоне воздействия КрАЗа проводились в 2013 г. в конце вегетационного периода. Аккумуляция пыли на поверхности почвы открытых территорий и в лесных массивах изучалась по следующей методике.

Рис. 1. Объекты исследований в Красноярской лесостепи: ПП 1–ПП 3 – пробные площади на открытых местах; ПП 4–ПП 7 – пробные площади в березняках разнотравных

В июне 2013 г. на открытых пространствах в зоне влияния КрАЗа и под пологом исследуемых березняков были установлены емкости для сбора осадков. Осадки, проникшие в приемники, были собраны в конце теплого периода 2013 г. с последующей их фильтрацией через абсолютно сухие фильтры. В твердом осадке и листьях определяли алюминий и тяжелые металлы (Cu, Co, Cd, Ni, Zn, Pb) на атомно-абсорбционном спектрометре МГА-915МД по аттестованным методикам М 04-64-2010 [7] и М 03-07-2009 [8]. Количественным показателем нарушения стабильности развития является индекс флуктуирующей асимметрии (ФА). Индекс флуктуирующей асимметрии для листьев березы повислой рассчитывался по методике В.М. Захарова с соавторами [9].

Очищающая эффективность березовых массивов, характеризующая роль березняков, произрастающих в зонах с техногенным загрязнением, в очистке атмосферного воздуха от пыли, была рассчитана с использованием формулы К = (О – П) /О·100 %, приведенной в работе Л.С. Дочинжера [10], где К – очищающая эффективность насаждений; О – масса пыли на открытом месте; П – масса пыли под пологом насаждения.

Результаты исследований и их обсуждение. Установлено, что в полуторакилометровой зоне от КрАЗа за теплый период года на поверхности почвы может накапливаться от 26 до 122 т/га техногенной пыли (рис. 2, А). Под пологом исследуемых лесных массивов может проникать от 1 до 5 т/га техногенной пыли (рис. 2, Б).

А

Рис. 2. Аккумуляция техногенной пыли на открытом месте (А) и под пологом березняков (Б)

Максимальное количество пыли (5,1 т/га) выявлено под пологом березняка разнотравно-осочкового (ПП 4). Несколько меньше (4,5 т/га) оседает под пологом березняка разнотравнозлакового (ПП 5). Минимальное количество проникает под полог березняка разнотравнозлакового (ПП 6).

Атомно-абсорбционный анализ показал, что в техногенной пыли присутствуют следующие элементы: Cu, Ni, Zn, Co, Al, Cd, Pb. Наибольшие концентрации алюминия, цинка, меди и свинца установлены в березняках в зоне прямого воздействия выбросов алюминиевого завода и тепловых станций (ПП 4, ПП 5) (табл. 1).

При анализе количественных показателей концентрации элементов в листовой массе обнаружено, что содержание цинка, кобальта и кадмия находится в пределах нормы по Melsted [11]. Содержание никеля превышает в 2,5–8,5 раз его нормальное количество по Melsted [11]. Свинец присутствует в листьях в достаточных количествах по сравнению с показателями Ка-бата-Пендиас, Пендиас [11], однако по Melsted [11] – превышает в 2 раза на пробных площадях 5 и 6 (табл. 2).

Таблица 1

1— CD CD О	Пробная площадь*
	ПП 1	ПП 2	ПП 3	ПП 4	ПП 5	ПП 6
Cu	27,02±5,6	22,6±4,7	12,4±2,6	6,6±1,4	5,7±1,2	4,1±0,8
Ni	41,4±8,7	3,4±0,7	8,2±1,7	1,4±0,3	4,1±0,8	1,2±0,2
Zn	65,2±13,7	49,6±10,4	56,2±11,8	48,4±10,1	43,5±9,1	24,6±5,1
Co	1,1±0,2	0,4±0,09	0,5±0,1	0,15±0,03	0,2±0,04	0,1±0,03
Al	10037,6±2107,9	1687,3±354,3	3692,5±775,4	338,7±71,1	1036,2±217,1	335,2±70,4
Cd	0,8±0,1	0,08±0,02	0,14±0,03	0,11±0,02	0,11±0,02	0,03±0,006
Pb	5,6±1,1	14,1±2,9	27,9±5,8	6,1±1,3	11,8±2,5	84,1±17,6

* Данные по аккумуляции пыли для ПП 7 и ПП 8 отсутствуют.

Таблица 2

Концентрации элементов в листьях березы повислой, мг/кг абс. сух. массы

1— CD S CD О	Пробная площадь					Содержание элементов (Ка-бата-Пендиас, Пендиас, 1989)		Нормальное содержание элементов (Melsted, 1973)*
						достаточное	избыточное
	ПП 4	ПП 5	ПП 6	ПП 7	ПП 8
Cu	6,4±1,3	3,8±1,6	5,4±1,1	5,7 ±1,2	4,2±0,8	** –	–	3–40
Ni	2,4±0,5	8,4±1,8	3,1±0,6	2,5±0,5	5,5±1,1	–	–	0,1–1
Zn	129,2±27,1	116,9±24,5	166,7±35,1	166,7±38,8	89,13±18,7	27–150	100–400	15–150
Co	0,1±0,02	0,2±0,05	0,19±0,04	0,1±0,02	0,1±0,02	0,02–1	15–30	0,01–0,3
Al	85,4±17,9	380,5±79,9	137,2±28,8	68,7±14,4	41,3±8,6	–	–	–
Cd	0,05±0,01	0,11±0,03	0,24±0,06	0,08±0,02	0,1±0,04	0,05–0,2	5–30	0,05– 0,2
Pb	2,1±0,5	10,5±2,7	8,5±2,2	6,5±1,7	5,4±1,4	5–10	30–300	0,1–5
Cr	2,1±0,5	4,5±1,2	2,5±0,6	2,5±0,2	0,2±0,07	–	–	–

*Цит. по Baker, Chesnin [11].

**«–» – нет данных.

Содержание элементов в техногенной пыли, мг/кг сух. пыли

Расчеты показали, что коэффициент эффективности очистки воздуха от пыли исследуемыми березняками разнотравными в зоне влияния алюминиевого завода и ТЭЦ-3 составил в летний период 2013 г. от 93 до 98,7 % (рис. 3). Последующие расчеты коэффициента очищающей способности березняков по элементам приведены в таблице 3.

Рис. 3. Коэффициент эффективности очистки воздуха от пыли

Таблица 3

Объект исследований	Элемент
	Al	Co	Cd	Ni	Zn	Cu
ПП 4	93,4	78,0	66,8	91,9	15,0	67,8
ПП 5	79,8	70,8	67,3	76,9	23,6	72,1
ПП 6	93,5	79,5	90,9	93,4	56,9	80,1

Коэффициент очищающей эффективности атмосферы от алюминия и тяжелых металлов, %

Из таблицы 3 видно, что наиболее эффективно березняками разнотравными выводятся из загрязненного воздуха соединения алюминия, никеля и кобальта. Коэффициент очищающей способности для этих элементов составляет от 70,8 до 93, 5 %. Коэффициент очищающей способности для цинка, кадмия и меди варьирует от 15,0 до 90, 9 %.

В результате расчета индекса флуктуирующей асимметрии по модельным деревьям нами обнаружено, что отклонение в асимметрии наиболее характерно проявляется для берез, произрастающих под воздействием выбросов ТЭЦ-3 и КрАЗа (ПП 4, ПП 5). ФА листовой пластинки здесь составляет 0,07 ± 0,001. В чистом местообитании в условиях Маганского лесничества ФА равен 0,04 ± 0,004 (рис. 4).

Рис. 4. Индекс флуктуирующей асимметрии листьев березы повислой

Выводы. Исследования 2013 г. показали, что березняки разнотравные, произрастающие в зоне влияния алюминиевого производства и тепловой станции, подвергаются высоким пылевым нагрузкам. За один летний месяц в насаждениях под полог проникает от 1 до 5 т/га техногенной пыли.

В листьях аккумулируется значительное количество алюминия и тяжелых металлов техно- генного происхождения, которое превышает нормальное содержание элементов.

Рассчитанные коэффициенты очищающей эффективности для березняков разнотравных (93–98 %) подтвердили их высокую санитарногигиеническую роль.

Установлено, что индекс флуктуирующей асимметрии достигает максимального значения – 0,07, что указывает на экологическое неблагополучие в березняках разнотравных и проявле- ние признаков нестабильного развития физиологически активной части древостоев.