Влияние кислотных выбросов Карабашского медеплавильного комбината на жизненное состояние подроста сосны в Ильменском государственном заповеднике (Южный Урал)

Автор: Мумбер Александр Геннадьевич, Чащина Ольга Евгеньевна, Куянцева Надежда Борисовна, Потапкин Андрей Борисович

Журнал: Известия Самарского научного центра Российской академии наук @izvestiya-ssc

Рубрика: Особо охраняемые природные территории

Статья в выпуске: 1-4 т.16, 2014 года.

Бесплатный доступ

С помощью индикационных приемов дана комплексная оценка воздействия выбросов Карабашского медеплавильного комбината (Южный Урал) на состояние подроста сосны в Ильменском заповеднике. Многолетние побеги сосны накапливают большие концентрации тяжелых металлов и являются более точными индикаторами для экспресс-диагностики состояния окружающeй среды.

Сосна обыкновенная pinus sylvestris, подрост, промышленное загрязнение, тяжелые металлы, карабашский медеплавильный комбинат, биоиндикация, южный урал

Короткий адрес: https://sciup.org/148202918

IDR: 148202918

Текст научной статьи Влияние кислотных выбросов Карабашского медеплавильного комбината на жизненное состояние подроста сосны в Ильменском государственном заповеднике (Южный Урал)

Потапкин Андрей Борисович, старший инженер и полиметаллической пылью. Столетняя производственная деятельность сформировала вокруг завода техногенную пустошь с деградированной растительностью и почвенным покровом. Воздействие аэротехногенного переноса на ИГЗ выявлено при исследовании характера распределения тяжелых металлов в снеговом покрове, поверхностных водах и донных отложениях. Состояние лесных сообществ изучено недостаточно.

Для территории исследования характерна неоднородная роза ветров: 28% воздушных масс переносится в восточном направлении, 17% – северо-восточном, 15% – северном, 5% – северозападном, 15% – юго-восточном, 9% – южном, 7% – юго-западном, 4% – западном [2]. Сернокислотному влиянию выбросов КМК подвержены, в соответствии с розой ветров, непосредственно г. Золотая в наибольшей степени и северозападный склон Ильменского хребта [8].

Цель исследования: с помощью биоин-дикационных методов дать комплексную оценку воздействия аэротехногенного переноса КМК на состояние подроста сосны в Ильменском заповеднике.

Методика исследований. Заложены 11 постоянных пробных площадей (ППП) в сосновых лесах зеленомошной группы типов леса (ТЛУ 2) разнотравно-злаковых и черничных размером 20 х 20 м в южном направлении от источника загрязнения: 1-5 ППП – на территории КМК, 6-11 ППП – в районе ИГЗ. Для характеристики древостоев использованы стандартные таксационные описания (табл. 1). Отбор растительных и почвенных проб проведен в соответствии с ГОСТ 17.4.02-84, ГОСТ 28168-89.

Концентрации металлов определяли на атомноабсорбционных спектрометрах Aanalyst 400 (PerkinElmer) с пламенной атомизацией (Fe, Cu, Zn) и Aanalyst 300 (PerkinElmer) с графитовой печью HGA-850 (Pb, Cd). Лаборатория, в которой выполняли измерения, сертифицирована: аттестат аккредитации № РОСС RU. 0001.514536. Градиент ухудшения условий роста выстраивали на основе накопления тяжелых металлов (ТМ) в пробах почв и растительных образцах (табл. 2) и выражали через коэффициент суммарной токсической нагрузки Ki [1]. В основу работы положен принцип сравнительного анализа нарушенных и эталонных для данной природной зоны фитоценозов с целью выявления процессов изменения растительности под воздействием антропогенных факторов [3].

Таблица 1. Таксационные характеристики сосновых древостоев на ППП

№ ПП П	Расстояние до источника выбросов, км	Высота над уровнем моря, м	Состав древостоя	Сомкнутость	Средний возраст, лет	CV, %	Возрастной интервал, лет	Средний диаметр стволов, см	CV, %	Повре-ждае-мость древостоя
1	6,73	349	6С4Б	0,6	94,8 ±2,9	7,0	84-101	30,0 ± 1,7	13,3	с.повр
2	3,62	330	7С3Б	0,6	109,5 ±11	24,7	94-121	28,4 ± 1,9	15,2	повр
3	6,79	393	8C2Б	0,5-0,6	97,0±7,1	17,7	92-100	25,0 ± 1,1	10,6	повр
4	5,65	322	9С1Б	0,5-0,6	88,4 ±1,9	4,9	85-96	26,4 ± 1,1	9,8	с.повр
5	8,67	335	10С+Б	0,5	89,8 ±1,5	3,8	85-94	24,6 ± 1,0	9,1	с.повр
6	16,51	367	10С	0,6	112,6 ±2,3	4,7	112-120	28,0 ± 1,0	8,7	повр
7	20,83	362	10C	0,7	105,4 ±1,9	4,0	101-112	27,2 ± 1,5	12,3	повр
8	48,54	319	9С1Б	0,6-0,7	147,2 ±9,8	14,8	111-170	39,2 ± 0,8	6,1	повр
9	48,07	322	10С+Б	0,6	79,6 ±2,0	5,7	76-86	26,0 ± 0,8	7,6	повр
10	32,50	314	10С+Б	0,6	157,4 ±3,7	5,3	144-165	27,0 ± 0,8	7,4	повр
11	32,84	336	10С+Б	0,6	73,6±1,7	5,4	69-79	27,2 ± 1,0	8,3	повр

Примечание : CV – коэффициент вариации; с.повр – сильно поврежденный; повр – поврежденный древостой

Изучена морфология годичных (двухлетних и трехлетних) побегов виргинильных особей сосны в градиенте токсической нагрузки, для чего с каждой ППП взяты по 6 побегов с 3-х модельных растений. Оценены возраст подроста, высота (см); отдельно для хвои двухлетнего и трехлетнего года жизни определены количество пар хвоинок, количество пар хвоинок на 1 см, длина хвоинок (мм), длина побега (см). В качестве объектов для виталитетного анализа подроста сосны на ППП использовали растения одного возрастного состояния, которые относили к высшему (а), промежуточному (в) и низшему (с) классам виталитета. По характеру распределения полученных групп составляли виталитетные спектры, позволившие ранжировать исследованные ценопопуляции (ЦП) на процветающие, равновесные и депрессивные [4]. С использованием выравнивания средних значений параметров по ЦП методом взвешивания оценивали индекс виталитета ценопопуляций (IVC), коэффициент жизненности (Q) и коэффициент степени процветания (q) [4, 5]. Для оценки благоприятности условий местообитаний применяли интегральный показатель эффективности вегетативного роста [6]. Диапазон варьирования каждого признака разбивали на 5 классов с одинаковым объемом по равномерной шкале (табл. 3, 4). Номеру класса по порядку соответствовала величина балла. Оценка состояния ЦП проводилась при суммировании балльных значений всех признаков (табл. 5). Статистическую обработку данных проводили с использованием пакета программ «STATISTICA 6,0» и «MS EXCEL».

Таблица 2 . Характеристика суммарной токсической нагрузки на ППП

№ ППП	K 1	K 2	K 3	K 4
1	17,61	16,38	14,96	8,88
2	24,58	6,47	7,74	8,59
3	17,09	4,35	4,27	12,03
4	28,97	11,66	12,31	17,47
5	11,68	6,90	7,17	9,60
6	3,98	3,33	3,23	6,30
7	3,68	3,04	3,14	6,79
8	1,32	1,18	1,09	1,72
9	1	1	1	1
10	1,22	1,46	1,13	0,85
11	1,78	1,64	1,29	6,25

Примечание: K 1 – кора сосны, К 2 – двухлетние иглы сосны, К₃ – трехлетние иглы сосны, К₄ – водорастворимые микроэлементы в пробах почв

Таблица 3. Балловые оценки величины морфометрических признаков двухлетних побегов Pinus sylvestris

Баллы	Длина побегов, см	Количество пар хвоинок, шт	Количество пар хвоинок на 1 см	Длина хвоинок, мм
1	2,5-4,9	12,0-33,6	0,8-7,94	9,0-21,6
2	5,0-7,3	33,7-55,2	7,95-15,08	21,7-34,2
3	7,4-9,7	55,3-76,8	15,09-22,22	34,3-46,8
4	9,8-12,1	76,7-98,4	22,23-29,36	46,9-59,4
5	12,2-14,5	98,5-120,0	29,37-36,5	59,5-72,0

Таблица 4. Балловые оценки величины морфометрических признаков трехлетних побегов Pinus sylvestris

Баллы	Длина побегов, см	Количество пар хвоинок, шт	Количество пар хвоинок на 1 см	Длина хвоинок, мм
1	1,5-3,9	4,0-18,0	0,16-3,44	5,0-18,6
2	4,0-6,3	19,0-32,0	3,45-6,5	18,7-32,2
3	6,4-8,7	33,0-46,0	6,6-9,5	32,3-44,8
4	8,8-11,1	47,0-60,0	9,6-12,5	44,9-58,4
5	11,2-13,5	61,0-74,0	12,6-15,5	58,5-72,0

Таблица 5. Оценка величины признаков в баллах исследованных ЦП, индекс виталитета ЦП (IVC) Pinus sylvestris по двухлетним (А) и трехлетним побегам (Б) в градиенте химического загрязнения

№ ППП	Длина побега, см		Количество пар хвоинок, шт		Количество пар хвоинок на 1 см		Длина хвоинок, мм		Общая сумма баллов		IVC
№ ППП	А	Б	А	Б	А	Б	А	Б	А	Б	А	Б
1	2	2	1	2	1	2	2	3	6	9	3,6	2,73
2	2	3	2	2	1	2	4	4	9	11	4,32	3,14
3	1	2	3	4	3	4	3	3	10	13	4,8	3,9
4	1	2	1	2	1	2	2	3	5	9	3,16	2,69
5	3	2	3	4	2	3	2	3	10	12	6,1	3,46
6	1	1	1	2	2	2	3	3	7	8	3,56	2,48
7	2	2	2	2	1	1	2	3	7	8	3,4	2,26
8	2	3	2	2	1	2	4	4	9	11	4,34	3,17
9	2	4	2	5	2	2	2	4	8	15	4	4
10	1	1	2	2	2	3	2	3	7	9	3,54	2,94
11	1	2	2	2	2	2	2	3	7	9	3,38	2,95

Обсуждение результатов. Самые высокие концентрации токсикантов выявлены в длительно существующих частях деревьев: в коре и в трехлетних иглах. Средний возраст сосновых насаждений в зоне действия КМК составляет в среднем 95,9, для территории ИГЗ – 112,6 лет; средний диаметр стволов в лесах г. Карабаша равен 26,9 см, в заповеднике – 29,1 см. Наибольшие значения CV для определения текущего радиального прироста сосны установлены для территории КМК, что является показателем нестабильности среды.

Для оценки влияния аэротехногенного переноса на состояние морфоструктуры побеговой системы сосны (рис. 1) проведен анализ изменения средних значений длины двух - и трехлетней хвои на ППП (сообщества объединили в 2 группы: КМК и ИГЗ). Возраст и высота подроста сосны на территории ООПТ характеризуются большими значениями, однако все остальные признаки у молодых деревьев лучше развиты на ППП в районе г. Карабаш за исключением трехлетней хвои. Показано, что длительное воздействие загрязнения вызывает уменьшение линейных параметров фотосинтезирующих органов, которое связывают с негативным воздействием ТМ на растяжение клеток вследствие нарушения эластичности клеточных стенок и уменьшения оводненности тканей. Однако снижение плотности охвоения (облиствения) побегов в кроне по мере удаления от источника загрязнений показано для многих пород [9]. Большее количество пар хвоинок на годичном побеге и количество пар хвоинок на 1 см, отмеченные в сосняках территории КМК, возможно представляют собой эффекты ксерофитизации, связанной с осветлением полога (меньшие значения сомкнутости, в среднем 0,5), или проявление «физиологической сухости», вызванной сернокислотными выбросами. Средний прирост в высоту у молодых деревьев в Карабаше составляет 6,39 см (в диапазоне 4,27-7,45 см), в ИГЗ равен 6,84 см (5,5-9,4 см). Сравнение с данными 20-летней давности [7] показывает, что изученные характеристики сосняков для зоны воздействия КМК сохранились на неизменном уровне, несмотря на уменьшение объемов производства.

Б)

Рис. 1. Морфология побеговой системы сосны на ППП: А) 2-х- летние побеги, Б) 3-х - летние побеги

возраст высота, см длина кол-во пар кол-во пар длина дерева, побега, см хвоинок хвоинок хвоинки, лет на 1 см см

□ Карабаш

А)

ИГЗ

Так, содержание пыли в выбросах КМК уменьшилось в 4,9 раз (на 2003 г.), а SO 2 в 2,86 раза. В связи с тем, что Ki, рассчитанные на основе содержания ТМ в разных частях растений, различаются, то и ранги ППП в рядах уменьшения загрязнения при сравнении средних показателей отдельных параметров сосновых древостоев не всегда совпадают. Поэтому при построении виталитетных спектров пробные площади были разделены на три группы: КМК (ППП № 1-5), ИГЗ (ППП № 6-11) и Южное лесничество (ППП № 8, 9), расположенные дальше всех от источника загрязнения.

Количество пар хвоинок на 1см

Длина хвоинки, мм

Рис. 2. Виталитетные спектры ЦП сосны (морфометрические признаки 2-летних побегов), коэффициенты жизненности (Q) и коэффициенты степени процветания ЦП (q) в градиенте химического загрязнения: классы жизненности: а – высокий виталитет, b – средний, c – низкий

Длина побега, см

Количество пар хвоинок, шт.

Количество пар хвоинок на 1см

0,5

0,45

0,4

0,35

0,3

0,25

0,2

0,15

0,1

0,05

Карабаш

Заповедник

Длина хвоинки, мм

в a □b в c BQ □q

Рис. 3. Виталитетные спектры ЦП сосны (морфометрические признаки 3-летних побегов), коэффициенты жизненности (Q) и коэффициенты степени процветания ЦП (q) в градиенте химического загрязнения

Для района КМК большинство ЦП характеризуются как депрессивные с правосторонними виталитетными спектрами (кроме признака «количество пар хвоинок»). В заповеднике 50% ЦП сосны относятся к процветающим (с левосторонними виталитетными спектрами) и равновесным, остальные – депрессивные. В Южном лесничестве 50% ЦП сосны характеризуются как процветающие и 50% – как равновесные. В градиенте уменьшения химического загрязнения (КМК – ИГЗ – «Южное») в ЦП уменьшается встречаемость особей низкого класса жизненности, при этом возрастают коэффициенты жизненности и коэффициенты степени процветания, принимающие максимальные значения в сосновых древостоях Южного лесничества (рис. 2, 3). В изменении интегрального показателя эффективности вегетативного роста прослеживаются подобные закономерности (табл. 5): в градиенте уменьшения содержания ТМ (КМК – ИГЗ – «Южное») рассматриваемый усредненный для всех ППП показатель возрастает. Для двухлетних побегов подроста сосны он принимает значения 8,0 – 7,5 – 8,5, для трехлетних побегов составляет 12,8 – 10,0 – 13,0, соответственно. IVC изменяется для двухлетних побегов в ряду 4,36 –

3,7 – 4,2, а для трехлетних побегов - 3,2 –3,0 – 3,6.

Таким образом, изученные интегральные показатели выше в ЦП сосны из Южного лесничества, расположенных дальше всех от источника загрязнения. Изменения морфометрических характеристик побегов подроста сосны в ЦП происходят не линейно в направлении уменьшения токсикантов в среде и в органах растений; наиболее четко различия просматриваются на краях изученного градиента.

Выводы: 3-летние побеги растений сосны являются более точными индикаторами, так как накапливают большие концентрации ТМ. Показано воздействие аэротехногенного переноса КМК на состояние подроста сосны в Ильменском заповеднике, которое распространяется на расстояние до 30-35 км с севера на юг. Установлена разная разрешающая способность биоинди-кационных методов, используемых для экспресс-диагностики состояния окружающей среды.

Список литературы Влияние кислотных выбросов Карабашского медеплавильного комбината на жизненное состояние подроста сосны в Ильменском государственном заповеднике (Южный Урал)

Безель, В.С. Экологическая токсикология: популяционный и биоценотический аспекты. Монография. -Екатеринбург: Изд-во «Гощицкий», 2006. 277 с.
Белогуб, Е.В. Карабашский рудный район: материалы к путеводителю геолого-экологической экскурсии: монография//Е.В. Белогуб, В.Н. Удачин, Г.Г. Кораблев. -Миасс: ИМин УрО РАН, 2003. 40 с.
Горчаковский, П.Л. Антропогенные изменения растительности: мониторинг, оценка, прогнозирование//Экология. 1984. №5. С. 3-16.
Злобин, Ю.А. Принципы и методы изучения ценотических популяций растений. Монография. -Казань: Изд-во Казан, ун-та, 1989. 146 с.
Ишбирдин, А.Р. Стратегии жизни ценопопуляции Cephalanthera rubra (L.) Rich, на территории Башкирского государственного заповедника//А.Р. Ишбирдин, М.М. Ишмуратова, Т.В. Жирнова/Вестник Нижегородского ун-та им. Н.И. Лобачевского. Серия Биология. Вып. 1 (9). Материалы VII Всерос. попул. сем. «Популяции в пространстве и времени». -Нижний Новгород; Изд. ННГУ, 2005. С. 85-98.
Карнаухова, Н.А. Оценка состояния популяций Hedysarum theinum Krasnob. (Fabaceae) на Алтае/Н.А. Карнаухова, И.Ю. Селютина//Сибирский экологический журнал. 2013. №4. C. 543-550.
Степанов, А.М. Комплексная экологическая оценка техногенного воздействия на экосистемы южной тайги/А.М. Степанов и др. -М.: ЦЕПЛ, 1992. 246 с.
Макунина, Г.С. Деградация и химические свойства почв Карабашской техногенной аномалии//Почвоведение. 2002. № 3. С. 368-376.
Ярмишко, В.Т. Сосна обыкновенная и атмосферное загрязнение на Европейском Севере. Монография. -СПб, 1997. 210 с.

Еще

Статья научная