Пространственная динамика содержания фтора в хвое пихты сибирской (Abies sibirica L.) водосбора р. Базаиха красноярского промышленного региона

Автор: Спицына Т.П., Тасейко О.В., Ерастов Р.А., Куприянова Т.М., Тагиров Р.Р.

Журнал: Вестник Красноярского государственного аграрного университета @vestnik-kgau

Статья в выпуске: 2, 2018 года.

Бесплатный доступ

В работе описаны лесотаксационные па-раметры десяти пробных площадей пихтовых насаждений пригородных лесов г. Красноярска. Выбор в качестве биоиндикатора пихты си-бирской обусловлен ее повышенной чувстви-тельностью к аэротехногенному загрязнению. Средний диаметр насаждений пихты 19,7± 5,4 см; средняя высота 15,77±4,4 м; средний возраст 46±11 лет. Промежуточный класс бонитета пробных площадей II. Определено содержание валовой и водорастворимой форм фтора в хвое пихты сибирской (Abies sibirica L.). Определение водорастворимой концентрации выполнено потенциометрическим методом с ионселективным электродом, а определение валового фтора - спектрофотометрическим методом. Впервые было описано содержание водорастворимых соединений фтора в хвое пихты сибирской в пригородных лесах г. Крас-ноярска в условиях водосбора р. Базаиха. Среднее значение водорастворимого фтора в фитомассе пихты сибирской составило 1,39±0,7 мг/кг. Исследована пространствен-ная динамика водорастворимого фтора. Про-анализированы основные источники поступ-ления соединений фтора в окружающую среду. С помощью геоинформационных систем по-строены карты пространственного распре-деления фтора в хвое пихты. Выявлены два пика загрязнения, которые показывают, что хвоя поглощает производные фтора, сорбиро-ванные в пыли в 20-километровой зоне от алюминиевого завода (концентрация фтори-дов в хвое 2,91 мг/кг), а газообразные соедине-ния активно ассимилируются растениями в 50-километровой зоне влияния производства (соответственно 6,4 мг/кг). Полученные ре-зультаты согласуются с работами других исследователей, могут быть использованы для мониторинга и оценки состояния хвойных насаждений пригородных лесов г. Красноярска.

Еще

Хвоя пихты сибирской (abies sibirica l.), фториды, алюминиевое про-изводство, таксационное описание, бассейн р. базаиха, красноярский регион, пригородные леса

Короткий адрес: https://sciup.org/140224341

IDR: 140224341

Текст научной статьи Пространственная динамика содержания фтора в хвое пихты сибирской (Abies sibirica L.) водосбора р. Базаиха красноярского промышленного региона

Введение. Фтор и его производные в твердом и газообразном состоянии выбрасываются в атмосферу предприятиями по производству алюминия, кирпича, керамических изделий, фосфатных удобрений; выделяются при выплавке стали. В настоящее время признано, что по влиянию на растения соединения этого элемента являются одними из самых токсичных. В частности, если сернистый газ влияет на наиболее чувствительные к нему растения при концентрации 1 ррm, то влияние фтора сказывается уже при содержании 0,001 ррm. Фитотоксич- ность фтора зависит от вида растений, возраста, характера почв, погодных условий и других факторов [1].

Большинство работ связано с накоплением данного элемента в непосредственной зоне влияния его источника – алюминиевых производств Сибирского федерального округа г. Братска [2–10] и г. Красноярска [11–13]. Однако крайне мало исследований о влиянии фторидов на крупные лесные биогеоценозы, практически нет исследований, посвященных накоплению этого элемента в хвое пихты сибирской. Исключением являются работы Е.В. Бажиной с соавторами [14–15], где приводятся результаты содержания фтора в пихте сибирской крупных рекреационных территорий – Кузнецкого Алатау и природного парка «Ергаки».

Цель исследования. Оценка накопления фторидов в биогеоценозе водосбора реки Ба-заиха на основе их содержания в хвое пихты сибирской ( Abies sibirica L. ) .

Задачи исследования : проанализировать лесотаксационные параметры пихтовых насаждений и выполнить отбор фитомассы хвои пихты сибирской; определить концентрации водорастворимого и валового фтора в хвое пихты сибирской в бассейне р. Базаиха Красноярского промышленного региона; изучить пространственную динамику содержания фтора в хвое пихты сибирской водосбора р. Базаиха.

Объекты и методы исследования. Пихта сибирская (Abies sibirica L.) была выбрана в качестве биоиндикатора экологических условий, так как данный вид очень чувствителен к аэро-техногенному загрязнению окружающей среды и является повсеместно распространенной на территории Сибири породой. В связи с этим были заложены десять пробных площадей в бассейне р. Базаиха. Данная территория схожа по типу почв, природно-климатическим условиям и рельефу, характеризуется холмистой местностью с незначительными перепадами высот. На левом берегу устьевого участка р. Базаиха располагается Государственный природный заповедник «Столбы», на пихтовые древостои которого приходится до 30 % всей лесопокрытой площади [16]. В целом пихта является не только самой красивой, но и наиболее встречаемой породой.

Для осуществления поставленных задач руководствовались следующими методиками: закладка пробных площадей и определение основных таксационных параметров [17]; отбор фитомассы хвои, приготовление водной вытяжки и определение влажности [18]; определение водорастворимой концентрации фторидов потенциометрическим методом с ионселективным электродом на Ионометре И-160МИ [19]; определение валового фтора спектрофотометрическим методом в Новосибирском институте органической химии им. Н.Н. Ворожцова СО РАН.

Результаты и их обсуждение. Итоги таксационных работ приведены в таблице 1. Средний диаметр насаждений пихты составляет 19,7 ± 5,4 см; средняя высота достигает 15,77 ± 4,4 м; средний возраст – 46 ± 11 лет (группа «средневозрастные»). Показатель продуктивности древостоя – бонитет, который зависит от климатических и почвенно-грунтовых условий – определяли по среднему возрасту и высоте. Для его обозначения используется специальная шкала с пятью основными (I–V) классами и тремя дополнительными (Iа, Vб и Vа). Древостои высшей производительности относятся к Iа классу, а низшей – к Vб. Таким образом, чем выше деревья, тем лучше условия жизни и тем производительнее древостой. При сравнении древостоев и определении бонитетов высота берется для одного возраста. Промежуточный класс бонитета данных площадей – II. По шкале Орлова этот показатель характеризует насаждения с хорошим показателем продуктивности насаждений, а также качественные условия роста леса [17].

На этих же пробных площадях осуществляли сбор фитомассы хвои пихты сибирской для изучения пространственного распространения содержания фторидов.

Концентрация водорастворимого фтора приведена в таблице 2. В работе было получено, что среднее содержание этой формы фтора в хвое 1,39 мг/кг (абсолютно сухой вес), коэффициент вариации более 20 %, поэтому в данном случае значение доверительного интервала не приводится.

Таблица 1

Таксационная характеристика пихтовых насаждений на пробных площадях хвойного леса водосбора р. Базаиха

Пробная площадь	Породный состав	Возраст, лет	Класс бонитета	Средняя высота, м	Средний диаметр, см
Верхняя Базаиха, 5 км до р.п. Березовский	7П2Е1С	36	I	16,50	18,00
Верхняя Базаиха, 1 км до пос. Березовский	6Е3П1Б	56	I	22,42	22,90
Верхняя Базаиха, возле п. Жистык	8П1Е1Ос	44	IV	8,86	13,22
Верхняя Базаиха, 3 км после с.п. Маганск	6Е3П1Б	52	I	21,91	20,22
Верхняя Базаиха, 8 км после с.п. Маганск	3П1С6Ос+Б	40	III	11,49	36,60
Средняя Базаиха, р. Сынжул, исток	8П1С1Е	82	I	20,70	19,98
Средняя Базаиха, р. Сынжул, устье	4П3С3Е+Б	44	I	19,50	19,20
Нижняя Базаиха, р. Моховая, устье	5Е1С1П3Б+Ос	21	I	7,83	9,63
Нижняя Базаиха, р. Моховая, 2 км от устья	8С1П1Б	28	III	5,80	11,08
Нижняя Базаиха, р. Моховая, 4 км от устья	6П3Е1С	52	I	21,72	26,62

Таблица 2

Содержание водорастворимой формы фтора в хвое пихты сибирской ( Abies sibirica L.) в пересчете на вес натуральной влажности

Пробная площадь Влажность, % Содержание фтора, мг/кг абсолютно сухой вес на вес натуральной влажности Верхняя Базаиха, 1 км от р.п. Береть 54 0,056 0,036 Верхняя Базаиха, возле п. Жестык 47 0,126 0,086 Верхняя Базаиха, 8 км от с.п. Маганск 54 0,185 0,120 Верхняя Базаиха, 5 км перед р. п. Береть 54 0,525 0,341 Верхняя Базаиха, за р. п. Береть, 3 км 53 2,912 1,903 Средняя Базаиха, р. Сынжул, исток 55 0,080 0,052 Средняя Базаиха, р. Сынжул, устье 56 0,000 0,000 Нижняя Базаиха, р. Моховая, устье 53 0,062 0,041 Нижняя Базаиха, р. Моховая, 2 км от устья 55 3,590 2,316 Нижняя Базаиха, р. Моховая, 4 км от устья 44 1,279 0,888 Красноярский алюминиевый завод является г. Красноярска. В условиях постоянного загряз-вторым по объемам выпускаемой продукции в нения среды выбросами алюминиевых произмире и производит 27 % от производимого в водств фтор, обладающий большой агрессив-России алюминия и 3 % от общемирового. Во- ностью, проникает всеми доступными путями в досбор р. Базаиха относится к пригороду хвойные деревья через устьица, кутикулу моло- дых побегов, а также вторичную кору корня. Наибольшая концентрация повышенного содержания фтора наблюдается в хвое, в лубе его содержание ниже, а в заболони и корнях – наименьшее. Это приводит к значительному угнетению фотосинтезирующего аппарата растений, ослаблению, усыханию и гибели.

Исследованием содержания водорастворимого фтора в хвойных растениях занимался достаточно широкий круг исследователей (табл. 3), при этом фактические данные о содержании водорастворимого фтора в хвое пихты сибирской в литературе отсутствуют, так как данный вид очень чувствителен к загрязнению и крайне быстро угнетается выбросами алюминиевых предприятий.

Повышенная чувствительность хвойных к фтороводороду связана с длительным сроком жизни хвои, вследствие чего развивается обширное повреждение кроны, сокращается ассимиляционная поверхность и пихта может погибнуть от углеродного голодания.

Таблица 3

Содержание водорастворимого фтора в хвойных породах промышленных зон влияния алюминиевых предприятий

Порода	Место отбора фитомассы хвои	Концентрация водорастворимого фтора, мг/кг	Литературный источник
Сосна обыкновенная	- 8 км от БрАЗ; - 32 км	2,1 0,43	Рунова, 2010 [7]
	- 10 км от БрАЗ; - 29 км; - 34 км	1,98 0,97 15,92	Рунова, 2012 [8]
	Под факелом алюминиевого завода (КрАЗ, БрАЗ)	410,0	Павлов, 1998 [11]
	- зона сильного загрязнения: 12–22 км от БрАЗ; - зона среднего загрязнения: 20–30 км; - зона слабого загрязнения 50–60 км	13,76 13,38 11,41	Чжан, 2008 [10]
Лиственница сибирская	- 8 км от БрАЗ; - 32 км	17,4 0,78	Рунова, 2010 [7]
	- 10 км от БрАЗ; - 29 км; - 34 км	17,4 0,78 14,62	Рунова, 2012 [8]
	Под факелом алюминиевого завода (КрАЗ, БрАЗ)	690,0	Павлов, 1998 [11]
Ель сибирская	Под факелом алюминиевого завода (КрАЗ, БрАЗ)	410,0	Павлов, 1998 [11]
Хвойные деревья	Городские и пригородные леса г. Братска	1,20 – 35,59	Рунова, 2015 [9]
Пихта сибирская	- 17 км от КрАЗ; - 18 км; - 33 км; - 41 км; - 46 км; - 47,2 км	0,06 2,91 0,08 0,06 3,59 6,40	Получено в данной работе

Примечание. Здесь и далее: БрАЗ – Братский алюминиевый завод, КрАЗ – Красноярский алюминиевый завод, САЗ – Саяногорский алюминиевый завод.

Пространственная динамика содержания водорастворимого фтора представлена на рисунке 1. Наблюдаются два пика загрязнения – на расстоянии 18 и 46 км от источника загрязнения. Это явление объясняется тем, что наиболее тяжелые фторсодержащие частицы оседают ближе к городу, на расстоянии 18– 33 км от факела завода «ОАО РУСАЛ Красноярск». В свою очередь, фтор в газообразном состоянии, выброс которого по объему очень значителен (порядка 700 тонн в год), оседает в 50-километровой зоне от алюминиевого производства [20]. Согласно рисунку 2, газообразные вещества, выбрасываемые предприятием, по объему опережают твердые, а по географии распространения распространяются на более дальние расстояния.

Если сравнивать полученную пространственную динамику с исследованиями других авторов, то, например, Е.М. Рунова (2012) определила водорастворимый фтор в хвое лиственницы сибирской (Larix sibirica) и сосны обыкновенной (Pinus sylvestris) в зависимости от расстояния и получила схожие результаты – зафиксированы два пика максимальных концентраций ионов фтора – на расстоянии 10 и 34 км от источника выбросов.

Определение валового фтора проводилось в экспериментальной лаборатории Новосибирского института органической химии. Из 10 образцов фитомассы хвои только в 20 % был обнаружен фтор. Было получено, что среднее содержание валового фтора в хвое пихты сибирской составило 2050 мг/кг. Полученные результаты достаточно высоки и не согласуются с литературными данными, описанными в таблице 4. Кроме того, традиционно валовую концентрацию элемента в растении сравнивают с кларком в живом веществе. Согласно В.В. Добровольскому [21], кларковое число фтора в растениях равно 3,5 мг/кг.

Таким образом, результаты химического анализа валового фтора не репрезентативны.

Рис. 1. Пространственная динамика водорастворимого фтора в хвое пихты сибирской Abies sibirica L. бассейна р. Базаиха

■ пылевая фаза выброса

■ газообразная фаза выброса

Рис. 2. Объемы выбросов различных компонентов по агрегатному состоянию ОАО «РУСАЛ Красноярск»

Таблица 4

Порода	Место отбора фиомассы хвои	Концентрация валового фтора, мг/кг	Литературный источник
1	2	3	4
Сосна обыкновенная	В зоне влияния алюминиевого завода (КрАЗ, БрАЗ)	545,0	Павлов, 1998 [11]
	- 4–6 км от факела БрАЗ; - 10–15 км; - до 40 км	161,0–210,0 51,0–89,0 13,0–20,0	Рожков, 1989 [3]
	- 3–15 км от САЗ; - 20–25 км; - 35–40 км; - 60–65 км; - 120 км	7,9 5,5 5,2 3,8 3,4	Градобоева, 2014 [22]
	- 1 км от факела БрАЗ; - 4 км; - 20 км; - 40 км; - 100 км	32,0–65,0 мг%	Соков, 1979 [2]
	Минусинский бор	2,01–5,27	Григоренко, 2015 [23]
	- г. Мончегорск (Мурманская обл.), в зоне влияния медно-никелевого металлургического комбината; - г. Кандалакша (Мурманская обл.), алюминиевый завод	3,0–4,0 27,0	Кизеев, 2009 [24]

Окончание табл. 4

1	2	3	4
	В зоне влияния Полевского криолитового завода и Первоуральско-Ревдинского промышленного узла	55,0–193,0	Шебалова, 2008 [25]
	Бассейн Верхней Ангары	0,96–1,01 *10– 3% от сухой массы	Калугина, 2010 [26]
	Польша, лесной массив, около 15 км от завода – источника загрязнения фтором	180,0–230,0	Karolewski, 2000 [27]
	В радиусе 40 км от г. Красноярска	2–20	Скрипальщикова, 2009 [13]
Сосна сибирская	Заповедник «Хакасский»	1,45–2,45	Шуркина, 2016 [28]
	Заповедник «Кузнецкий Алатау»	0,38–3,71	Бажина, 2013 [14]
	Природный парк «Ергаки»	2,0	Третьякова, 2008 [15]
Лиственница сибирская	В зоне влияния алюминиевого завода (КрАЗ, БрАЗ)	980,0	Павлов, 1998 [11]
Лиственница сибирская	- 4–6 км от факела БрАЗ; - 10–15 км; - до 40 км	179,0–110,0 93,0–55,0 19,0–24,0	Рожков, 1989 [3]
Ель сибирская	В зоне влияния алюминиевого завода (КрАЗ, БрАЗ)	570,0	Павлов, 1998 [11]
Ель сибирская	- 4 – 6 км от факела БрАЗ; - 10 – 15 км; - до 40 км	182,0–122,0 86,0–51,0 29,0–8,0	Рожков, 1989 [3]
Ель обыкновенная	Польша, лесной массив, около 15 км от завода – источника загрязнения фтором	75,0–140,0	Karolewski, 2000 [27]
Пихта сибирская	Заповедник «Кузнецкий Алатау»	0,3–4,2	Бажина, 2013 [14]
Пихта сибирская	Природный парк «Ергаки»	1,1	Третьякова, 2008 [15]
Хвойные деревья	Красноярск, Академгородок	138,0	Отнюкова, 2012 [29]

Содержание валового фтора в хвойных породах промышленных зон влияния алюминиевых предприятий

Заключение. Таким образом, в работе на 10 пробных площадях была отобрана фитомасса хвои пихты сибирской в бассейне реки Базаихи на содержание разных форм фтора. Описано их расположение и таксационные показатели древостоя для каждой пробной площади. Промежуточный класс бонитета рассматриваемых насаждений – II, возраст относится к группе «средневозрастные».

Впервые было описано содержание водорастворимых соединений фтора в хвое пихты сибирской в пригородных лесах г. Красноярска в условиях водосбора р. Базаиха. Диапазон изменения концентраций составил 0,056–3,59 мг/кг при сред- нем значении 1,39±0,7 мг/кг. Сделана оценка пространственной динамики содержания водорастворимого фтора в хвое пихты сибирской. Выявлены два пика загрязнения, которые показывают, что хвоя поглощает производные фтора, сорбированные в пыли в 20-километровой зоне от алюминиевого завода, а газообразные соединения активно ассимилируются растениями в 50километровой зоне влияния производства.

Список литературы Пространственная динамика содержания фтора в хвое пихты сибирской (Abies sibirica L.) водосбора р. Базаиха красноярского промышленного региона

Шихранов О.Г. Влияние фторидов на древесную растительность в санитарно-защитной зоне Братского алюминиевого завода: автореф. дис. … канд. с.-х. наук. -Красноярск, 2004. -21 с.
Соков М.К. Влияние фтористых выбросов алюминиевых заводов на состояние хвойных лесов: автореф. дис. … канд. биол. наук. -Красноярск, 1979. -24 с.
Рожков А.С., Михайлова Т.А. Действие фторсодержащих эмиссий на хвойные деревья. -Новосибирск, 1989. -130 с.
Михайлова Т.А., Бережная Н.С., Афанасье-ва Л.В. . Воздействие фторсодержащих соединений на состояние хвойных лесов Предбайкалья//Лесоведение. -2005. -№ 2. -С. 38-45.
Михайлова Т.А., Калугина О.В., Афанасье-ва Л.В. . Тренды содержания химических элементов в хвое сосны обыкновенной (Pinus sylvestris L.) в разных условиях произрастания и при техногенной нагрузке//Сиб. экол. журн. -2010. -№ 2. -С. 239-247.
Рунова Е.М., Костромина О.А. Оценка со-стояния лиственных древостоев в зонах техногенного воздействия//Вестник Крас-ГАУ. -2007. -№ 6. -С. 121-127.
Рунова Е.М., Аношкина Л.В. Формирование газоустойчивого ассортимента древесных растений в условиях повышенной техногенной нагрузки//Вестник КрасГАУ. -2010. -№ 6. -С. 76-81.
Рунова Е.М., Аношкина Л.В., Аверина Г.А. Влияние фтористых соединений на состояние городской растительности//Системы. Методы. Технологии. -2012. -№ 2 (14). -С. 126-129.
Рунова Е.М., Чжан С.А., Пузанова О.А. Влияние длительного загрязнения промышленными выбросами на жизнеспособность светлохвойных таежных лесов//Си-стемы. Методы. Технологии. -2015. -№ 1 (25). -С. 162-168.
Чжан С.А., Рунова Е.М., Пузанова О.А. Ис-следование состояния хвои древесных по-род//Актуальные проблемы лесного комплекса. -2008. -№ 21. -URL: http://cyberleninka.ru/article/n/issledovanie-sos toyaniya-hvoi-drevesnyh-porod (дата обращения: 13.10.2017).
Павлов И.Н. Изучение сорбции фтора в ли-стьях древесных растений//Химия расти-тельного сырья. -1998. -№ 2. -С. 37-43.
Павлов И.Н. Древесные растения в услови-ях техногенного загрязнения. -Улан-Удэ, 2006. -360 с.
Скрипальщикова Л.Н., Татаринцев А.И., Зубарева О.Н. . Экологическое состояние пригородных лесов Красноярска. -Новосибирск: Гео, 2009. -179 с.
Бажина Е.В., Сторожев В.П., Третьякова И.Н. Усыхание пихтово-кедровых лесов Кузнецкого Алатау в условиях техногенного загрязнения//Лесоведение. -2013. -№ 2. -С. 15-21.
Третьякова И.Н., Бажина Е.В., Пахарькова Н.В. . Состояние пихтово-кедровых лесов природного парка «Ергаки» и их флуоресцентная диагностика//Хвойные бореальной зоны. -2008. -XXV, № 3-4 -С. 237-243.
Лесохозяйственный регламент лесничества «Государственный природный заповедник «Столбы». -URL: https://www.mnr.gov.ru/.
Таксация леса: учеб-метод. пособие. -М., 2008. -133 с.
Федорова А.И., Никольская А.Н. Практикум по экологии и охране окружающей среды. -М.: ВЛАДОС, 2003. -288 с.
РД 52.24.360-2008. Массовая концентрация фторидов в водах. Методика выполнения измерений потенциометрическим методом с ионселективным электродом. -Ростов н/Д, 2008. -16 с.
Корректировка сводного тома предельно допустимых выбросов для г. Красноярска (Том ПДВ). Том I. Книга 1. Пояснительная записка. -Красноярск, 2012. -630 с. -URL: http://www.krasecology.ru/About/PDV.
Добровольский В.В. Основы биогеохимии. -М.: Академия, 2003. -400 с.
Градобоева Н.А., Елизарьев В.В., Таранова Ф.А. . Мониторинг фторидного состояния агрофитоценоза в зоне деятельности ОАО «РУСАЛ Саяногорск»//Проблемы агрохимии и экологии. -2014. -№ 1. -С. 43-49.
Григоренко А.В., Грибов А.И. Морфометрические параметры хвои, элементный состав хвои и компонентный состав эфирного масла Pinus Sylvestris L. Минусинского бора в условиях антропогенного загрязнения//Вестн. Перм. ун-та. -2015. -Вып. 4. -С. 359-365.
Кизеев А.Н., Жиров В.К., Никанов А.Н. Влияние промышленных эмиссий предприятий Кольского полуострова на ассимиляцион-ный аппарат сосны//Экология человека. -2009. -№ 1. -С. 9-14.
Шебалова Н.М., Залесов С.В. Лесные экосистемы зон сильного аэротехногенного загрязнения//Лесной вестник. -2008. -№ 3. -С. 102-106.
Калугина О.В., Михайлова Т.А., Нестерен-ко О.И. Оценка эколого-физиологического состояния сосновых древостоев в бассейне реки Верхняя Ангара//Лесной вестник. -2010. -№ 6. -С. 30-33.
Piotr Karolewski, Jerzy Siepak, Hanna Gramowska. Response of Scots pine (Pinus sylvestris), Norway spruce (Picea abies) and Douglas fir (Pseudotsuga menziesii) needles to environment pollution with flourine com-pounds//Dendrobiology. -2000. -Vol. 45. -P. 41-46.
Шуркина В.В. Результаты ежегодного мониторинга содержания фтора и тяжелых металлов в хвое кедра и почве заповедника «Хакасский» (кластерный участок «Малый Абакан»)//Научные исследования в заповедниках и национальных парках Ю. Сибири. -Новосибирск, 2016. -Вып. 6. -С. 65-68.
Отнюкова Т.Н., Жижаев А.М., Кутафьева Н.П. Элементный состав биоиндикаторов атмосферного загрязнения на территории г. Красноярска//Вестник КрасГАУ. -2012. -№ 2. -С. 123-127.

Еще

Статья научная