В итоге изменение состояния почвенного покрова становилось одним из ассимилирующих органов.

Критерии оценки (показатели) экологической обстановки в рамках комплексной ее оценки впервые были рекомендованы нормативным документом «Критерии оценки экологической обстановки территорий …» [51]. Исследуя представленные в документе критерии, автор работы выразил их взаимосвязь с помощью онтологической модели, которая представлена на рисунке 1, с обозначением границ предметной области системы оценки экологического состояния территорий, попадающих под действие антропогенных факторов.

«урбоэкосистема» фактически не разделены, а при использовании показателей оценки экологической обстановки по состоянию растительного и животного мира представлено недостаточно обобщающих показателей, или индексов. Также в рассматриваемом документе отсутствует свертка показателей для их интегрального представления и нацеленность на зонирование территорий с разной экологической обстановкой социоприродной среды на основе подобного рода показателей.

В ряде отечественных изданий рассмотрена сущность и различные подходы к экологическому нормированию [1, 5, 15, 21, 35, 85]. Так, в 90-ые гг. прошлого века группой авторов под руководством Е.Л. Воробейчика [21] разработан подход к экологическому нормированию на локальном уровне, который базируется на выявлении в экосистеме так называемого «слабого звена» и представлении последнего в виде показателя, характеризующего ее состояние.

Система экологического нормирования этого типа опирается на анализ свойств, обнаруживаемых в процессе обоснования «слабого звена» урбоэкосистем. При этом никаких ограничений на число исследуемых показателей и параметров исследуемых территорий не накладывается. Требованием данного подхода [21] является, во-первых, единый полигон наблюдений, в пределах которого отчетливо выражен градиент антропогенной нагрузки, и, во-вторых, отказ от представлений о формировании техногенного полигона в зависимости от розы ветров. Хотя работа [21] – важная веха в развитии экологического нормирования, тем не менее, в ней не достаточно полно учитываются базовые закономерности существования экосистем, связанные, например, с их продуктивностью или иерархией трофической структуры.

По мнению В.И. Чернышова [85], представление о состоянии природной среды (об экологическом состоянии территорий), может быть получено только на основе комплексного и единого подхода к оценке состояния и экосистемы, и слагающих ее компонентов. Для этого экосистема и ее биотические компоненты ранжируются на зоны нарушений, а абиотические – на соответствующие им классы состояний, соответствующие уровням природно-антропогенных нарушений (зон нарушения): нормы, риска, кризиса и бедствия. В рамках рассматриваемого подхода к оценке состояния окружающей среды [85] обязательно использование и учет критериев оценки, которые относятся к группам тематических (ботанические, зоологические, почвенные показатели оценки), пространственных и динамических критериев.

Выделенные группы показателей (критериев оценки) образуют предметную область, на которую опираются при разработке экологических нормативов.

Особенность такого подхода связана с требованием, проводить оценку состояния, опираясь на ограниченное число наиболее информативных критериев при строгом соблюдении требований метрологии, главным из которых является создание общей теории экологических измерений [85].

Рисунок 1 – Предметная область системы оценки экологической обстановки территорий, подвергающихся антропогенному влиянию, в соответствии с [51] Урбанизированные территории, включающие в себя системы природы и общества, являются сверхсложными системами. Дальнейшее развитие экологического нормирования применительно к таким сверхсложным системам привело к разработке моделей-классификаций их состояния или свойств по совокупности репрезентативных параметров с учетом неполных и неточных знаний об их важности и приоритетности оценивания [35, 36]. Хотя экологическое нормирование и не накладывает ограничений на число исследуемых показателей и параметров, тем не менее, разработка методов свертывания показателей и получение их интегральных форм представления (индексов состояния), наиболее важно для адекватного отражения состояния сверхсложных систем. Возможно, что определение индексов состояния сверхсложных систем действительно выводит экологическое нормирование на новый уровень видения экологических реалий урбанизированных территорий и управления процессами их жизнедеятельности [36].

По мере нарастания антропогенной нагрузки меняются свойства основных барьеров урбанизированных экосистем, к числу которых относится растительность и почва. Благодаря барьерам, адсорбируются, поглощаются и трансформируются атмосферные загрязнения. Результатом сорбции, поглощения и трансформации поллютантов (реализации барьерных свойств) является изменение параметров ассимилирующих и неассимилирующих СО2 органов растений в пределах синузий и почвы в пределах ее корнеобитаемого слоя.

Характер изменения параметров, описывающих барьерные свойства эдифицирующих синузий и корнеобитаемого слоя почвы, позволяет определять различные аспекты адаптивного потенциала урбанизированных экосистем и прогнозировать их состояние. При этом параметры барьерных свойств урбанизированных экосистем существенно зависят от специфики отраслей урбанизированных территорий, и набора поллютантов, содержащихся в выбросах.

Следует отметить, что к концу 20 века наступило осознание того, что среди множества технологий в пределах однородных отраслей хозяйства всегда можно выделить такие, которые создают меньшую антропогенную нагрузку на окружающую природную среду (ОПС), и с этих позиций они могут рассматриваться как «лучшие технологии» [27]. Постепенно стало очевидным, что уровень технологического развития является своеобразным двигателем нормирования воздействий на окружающую среду: чем совершеннее технология, тем меньше ее негативное влияние на природу и человека, и тем более жесткие требования к качеству среды жизнедеятельности последнего могут быть реализованы на практике. Эта логическая схема стала основой концепции регламентирующих создание на предприятиях, оказывающих негативное воздействие на ОПС, структуры экологического управления. В этой системе стандартов самый жесткий экологический норматив сформулирован как «наличие рядом с предприятием соседних участков местности, пригодных для жизни диких растений и животных» [40].

нормирования [1, 21, 35, 36] существует и развивается параллельно действующей системе санитарно-гигиенического нормирования, согласно которой защитные по отношению к атмосфере мероприятия должны быть разработаны и реализованы, если по отношению к поллютантам не выполняется следующее неравенство [1]:

где с – концентрация загрязняющего вещества (ЗВ), мг/м3; сф – фоновая концентрация ЗВ, мг/м3; = 1 для предельно допустимого выброса (ПДВ) и > 1 для временно согласованного выброса (ВСВ); мр – максимально разовая.

Вместе с тем, соотношение, описываемое формулой (2), считается более близким принципам экологического нормирования, хотя и трудно выполнимым на практике [1]:

где с – концентрация, мг/м3; сф – фоновая концентрация; = 1 для ПДВ и > 1 для ВСВ; – Примечание: «-» - отсутствуют конкретные данные о кратности превышения норматива по загрязнителю. В Государственном докладе «О состоянии и об охране окружающей среды Иркутской области в 2011 году» (с.267-271) отсутствуют сведения о кратности превышения ПДК загрязнителей, представленных в таблице 3.

Следует подчеркнуть, что как ежегодное поступление диоксида серы (сернистый ангидрид) или оксида углерода (окись углерода), так и количество этих веществ, уловленное и обезвреженное за год предприятиями г. Ангарска, могло быть отнесено к многотонным выбросам и загрязнению его атмосферы. Так, по данным 2009 г. [32] было выброшено 75 510 т SO2 и 56 655 т оксидов азота, а уловлено и обезврежено соответственно 4 315 и 1150,1 т. В 2010 г. [33] из 90 512 т SO2 и 8 273 т СО, выброшенных предприятиями в атмосферу г. Ангарска, было уловлено 6 119 и 62 т этих веществ соответственно. При этом относительная доля уловленного диоксида серы была меньше, а оксида углерода, напротив, – больше, чем по области в целом.

Среднегодовые концентрации бенз(а)пирена и формальдегида превышали норму в 2009 г., составляя соответственно 5ПДК и более ПДК, а в 2010 г. соответственно в 2,6 и 1,3 раза. Согласно данным [32], за период 2001–2010 гг. среднегодовые концентрации загрязнителей воздушного бассейна г. Ангарска не увеличились, несмотря на то, что в течение каждого года возникали ситуации с высоким уровнем загрязнения атмосферы, а комплекс синоптико-метеорологических характеристик исследуемой территории (раздел 2.1) способствовал увеличению содержания загрязняющих веществ в воздухе. Поскольку среднегодовые концентрации не имели заметного тренда к увеличению[33], то заключили, что в начале XXI века на территории г. Ангарска сложилось стабильное нормированное загрязнение его воздушного бассейна рассматриваемыми загрязняющими веществами.

Хотя оценку состояния урбанизированной территории АМО проводили с использованием ассимилирующих органов древесных растений, тем не менее, учитывали, что в рамках единой биосистемы древесного растения складывались определенные корнелистовые взаимоотношения и взаимодействия, а загрязнение почвенной среды вымываемыми из атмосферы поллютантами в конечном итоге оказывало влияние на состояние ее растительного покрова. Почвы территории АМО представлены преимущественно серыми лесными легкосуглинистыми типами, а также такими типами, как средне- и тяжелосуглинистые, серые лесные супеси [33].

В таблице 4 показаны результаты исследования содержания токсичных металлов (ТМ) в почвенном покрове территории г. Ангарска и Ангарского муниципального образования[33]. Средние массовые доли токсичных металлов в почвах, выделенных в таблице 4 зон, характеризовались неравномерностью распределения. В верхнем почвенном горизонте территории г. Ангарска была отмечена максимальная кумуляция цинка. Возможно, это обусловлено тем, что за период 2005– 2009 гг. средние годовые концентрации этого элемента в выбросах существенно увеличились [32].

Установлено превышение среднего содержания токсичных металлов в супесчаных почвах, прилегающих к ОАО «АНХК», по сравнению со средним содержанием ТМ в суглинистых почвах города и его пригородных зон. В целом загрязнение почв вблизи ОАО «АНХК» квалифицируется как хроническое загрязнение соединениями цинка, никеля, свинца, меди и кадмия. По сравнению с г. произошло снижение в почвенном покрове городской территории уровня содержания цинка и меди в 1,7 раз, свинца, ртути и никеля – в 1,3 – 1,4 раза.

Таблица 4 – Загрязнение почвенного покрова территории г. Ангарска токсичными металлами 3. В радиусе 5- Средние и 20 км вокруг тяжелые суглинки Среднее содержание на уровне фона (Ф) и ниже фоновых концентраций города «АНХК»

Примечание: в таблице приведены данные по кислоторастворимым неподвижным формам токсичных металлов.

Содержание подвижных форм токсичных металлов (свинец, никель, медь, цинк, кобальт) в черте города Ангарска изменялось в пределах от 0,03 до 1,4 ПДК, а на территории в радиусе 1 – 5 км от города – от 0,012 до 0,7 ПДК. Среднее содержание подвижных форм кадмия, марганца и железа в пробах почвы, взятых на территории города, было в 1,4 – 2,6 раза ниже по сравнению с их концентрацией, выявленной в пробах почвы из загородной зоны [32].

Следует особо отметить, значительное загрязнение почв территории г. Ангарска сульфатами. Их среднее содержание в почвах города составило в 2010 г. ПДК (максимальная концентрация – 16,4 ПДК). За последнее десятилетие отмечено увеличение уровня загрязнения сульфатами почвенного покрова территории г. Ангарска в 9, а почв пригородной зоны – в 5 раз. По-видимому, подобная картина связана с тем, что выбросы диоксида серы в атмосферу г. Ангарска в период 2008 к 2011 гг. увеличились в 1,23 раза, а вымывание из атмосферы осадками SO обусловливало увеличение сульфатов в почвенном покрове городской среды.

Итак, экологическим последствием хозяйственной деятельности предприятий на территории г. Ангарска и АМО является в основном нормативное или близкое к нему загрязнение окружающей среды (атмосферы и педосферы). Тем не менее, фактически по девяти веществам за период 2008-2010 гг. отмечалось превышение ПДКмр, особенно существенное по бенз(а)пирену, формальдегиду, диоксиду азота и оксиду углерода. В черте города и радиусе 1 – 5 км вокруг него в почвах выявлено содержание токсичных металлов. Все это объективно снижает качество окружающей среды урбоэкосистемы г. Ангарска и Ангарского муниципального образования.

2.3.1. Методика определения повреждений и индекса повреждения ассимилирующих органов (листовых пластинок) Повреждения ассимилирующих органов (листовых пластинок) определяли в 2011–2012 гг., используя такие древесные породы, как сосна обыкновенная (Pinus sylvestris L.), береза повислая (Betula pendula Roth.), тополь (Populus sp.) и черемуха (Padus sp.).

Выбор точек, в которых брали облиственные побеги деревьев сосны обыкновенной и березы повислой в разных частях селитебной зоны г. Ангарска, был сделан в соответствии с планом (планшеткой), разработанным на основе рекомендаций Е.Л. Воробейчика [21]. Точки отбора проб листьев показаны на рисунке 4.

Рисунок 4 – Положение точек, в которых отбирались облиственные побеги древесных пород растительного покрова урботерритории г. Ангарска Вместе с тем для представления более полной картины повреждений древесного растительного покрова урботерритории г. Ангарска в отдельных точках исследовали повреждения листовых пластинок тополя (Populus sp.) и черемухи (Padus sp.).

Фоновая точка была взята на территории, находящейся за пределами г. Ангарска. Это заимка Якимовка, расположенная в 25 км к юго-западу от г. Ангарска.

Территория, на которой располагалась фоновая точка, приурочена к долине р. Китой.

Для определения повреждений брали побеги древесных растений, учитывая методику, разработанную Федеральной службой лесного хозяйства «Методика организации и проведения работ по мониторингу лесов европейской части России по программе ICP-FOREST» (Методика ЕЭК ООН) [59] с рекомендациями и дополнениями авторов [88].

Побеги отбирали на деревьях, растущих в различных по их количеству группах, представляющих как лесопосадки сосны, выполненные при строительстве города примерно 50-60 лет тому назад, так и деревья, представляющие редкие сохранившиеся остатки естественных лесов сосны и березы, или сформировавшиеся в результате процессов естественного возобновления. После визуального осмотра выбирали среднее по габитусу, лишенное признаков фаутности дерево, которое использовали для отбора облиственных побегов.

Детального изучения видового состава травостоя в точках отбора побегов сосны и березы не проводили, но его визуальное исследование показало, что в большинстве своем травостой изреженный, неоднородный, имеет плешины, вытоптанные места, характеризуется наличием широколиственных сорняков (одуванчик, клевер, подорожник). В местах отбора побегов в составе травостоя не редко встречались спорыш, донник, представители злаков (райграс, мятлик, пырей).

Большая часть почв в пределах исследуемой территории является нарушенной хозяйственной деятельностью человека. Исходными почвами являлись главным образом дерновые таежные и серые лесные почвы [33 – другая ссылка - Н!!!].

Повреждения листовых пластинок, или дехромации, представляли собой, прежде всего, изменения естественного цвета хвои сосны и листьев из-за хлорозов и некрозов. При определении индекса повреждений визуально фиксировали наличие на листьях хлорозов и некрозов, рассматривая листья, отбирая и подсчитывая число листовых пластинок с повреждениями. Таким образом, одна группа листовых пластинок состояла из листьев, имеющих те или иные повреждения (хотя бы единственное повреждение), а другая группа – включала в себя листья без видимых повреждений. Визуальная оценка повреждений выполнялась одним и тем же человеком в течение всего периода наблюдений. Оценка повреждений листьев опиралась на визуальную оценку дехромации. Количественная оценка повреждений листьев, как правило, ограничивается определением их долей [62]. При этом доли повреждений могут использоваться для расчета индекса повреждений по формуле (3):

где I' – количество хвои, учитывающее долю повреждений в каждой ее возрастной группе; I'' – количество хвои побега без повреждений (общее число хвоинок на побеге).

Вместе с тем, отмечается актуальность расширения существующих методик и подходов, характеризующих состояние сосны обыкновенной в условиях промышленных выбросов [74].

Поэтому для сосны обыкновенной при расчете индекса некую совокупность признаков хвои сосны (базовые признаки), исключая признаки повреждения, условно принимали за «1» (формула 4). Долю повреждений (dj), обнаруженную у хвои сосны каждой возрастной группы, добавляли к «1» (базовым признакам):

где n1…ni – число хвои сосны соответствующей возрастной группы, d1…di – доля хвои сосны соответствующей возрастной группы.

При 100%-ом повреждении хвои сосны всех возрастных групп получили максимальную величину индекса повреждений, равную 2. Чем ближе была величина Iповр к 2, тем больше повреждений имела хвоя сосны, а вместе с ней ассимиляционный (фотосинтезирующий) аппарат сосен, растущих в пределах урбанизированной территории АМО.

Количество хвои сосны и листьев березы, повреждения которых были оценены визуально, впоследствии для сосны использованы для расчета индекса повреждения, составляло соответственно в 2011 г. – 11 140 и 280, а в 2012 г. – 20 080 и 1687 шт.

Специально проведенная методическая работа по определению влияния ориентации кроны сосны по сторонам света на индекс повреждения, выполненная в нескольких точках отбора побегов, не выявила достоверных различий его величин. Поэтому сочли вполне обоснованным случайное взятие побегов по периметру крон исследуемых древесных пород, не придерживаясь строгой ориентации по сторонам света. Количество репрезентативно отобранных для измерения индекса повреждения побегов составляло пять средних побегов. Побеги для определения индекса повреждений отбирались визуально, исходя из наличия необходимых возрастных групп хвои сосны на побеге (1-3 года жизни как минимум).

Побеги отбирали в середине, реже нижней части середины кроны деревьев с помощью специально приспособленного для этого сучкореза с телескопической ручкой. Исследование фотосинтетической функции хвои сосны [38] показало, что в нижней трети ее динамика и продуктивность характеризовались неустойчивостью по сравнению с другими частями кроны сосны. Поэтому при исследовании барьерных свойств побегов сосны, по-видимому, следует ожидать, что ответная реакция в виде тех или иных повреждений или отклонений в развитии при действии факторов внешней среды, включая и загрязняющие вещества, будет иметь место в первую очередь в этой части кроны.

Исследуемые ассимилирующие органы древесных растений являлись частью тех синузий, которые либо остались от прежних так называемых естественных экосистем, либо впоследствии сформировались на территории исследуемой урбоэкосистемы г. Ангарска. Таким образом, изучение состояния ассимилирующих органов исследуемых пород древесных растений, которые в пределах исследуемой урбоэкосистемы выполняли функции ее эдификаторов, было выполнено в рамках синузиального подхода [53].

Оценка дехромации с целью разработать ее квалиметрическую шкалу проводилась с использованием микроскопа МБИ-3 и бинокулярной лупы. Видимые в микроскоп повреждения хвои сосны описывались в журнале наблюдений, а при необходимости – зарисовывались.

2.3.2. Методика определения флуктуирующей асимметрии Флуктуирующая асимметрия (ФА) является морфологическим показателем, характеризующим стабильность развития ассимилирующих органов (хвои сосны) растений. Показатель флуктуирующей асимметрии листовых пластинок рассматривается как неспецифический показатель стресса, который испытывают растения, в том числе и древесные, включая и антропогенные, в условиях среды [95, 114].

У сосны обыкновенной флуктуирующую асимметрию хвои сосны (рисунок 5б) определяли по соотношению между разностью длины хвоинок, связанных с одним и тем же укороченным побегом (брахибластом), и их средней длиной [95, 113].

Рисунок 5 – Параметры флуктуирующей асимметрии, измеряемые на листовых пластинках лиственных (а) и хвойных (б) древесных пород В 2010-2011 г. у деревьев сосны обыкновенной измерение флуктуирующей асимметрии было выполнено на 1187 парах хвои сосны. В 2012 г. количество измерений показателей ФА в контрольной точке и в связи с экспозицией кроны составило соответственно 1637 и 2776, а в точках на территории г. Ангарска – пары хвои сосны. На территории г. Ангарска и Ангарского муниципального образования сбор материала (листьев) и измерение показателя ФА проводили не только в 2011-12 гг. Наряду с этими годами, в работе для определения показателей ФА были использованы фотографии листьев березы, собранных в черте г. Ангарска в 2002 году.

Определение флуктуирующей асимметрии листовых пластинок березы повислой представляло собой измерение нескольких морфологических признаков листьев. К их числу относилось измерение ширины половины листа (1), длины второй от основания листа жилки второго порядка (2), расстояние между основаниями первой и второй жилок второго порядка (3), расстояние между концами этих жилок (4), а также угол между главной жилкой и второй от основания листа жилкой второго порядка (5) (рисунок 5а).

Флуктуирующую асимметрию оценивали как по отдельным признакам, для чего по каждому листу разность между промерами слева и справа делилась на сумму этих же промеров, так и с помощью интегрального показателя. Интегральный показатель флуктуирующей асимметрии (ИПФА) лиственных древесных пород по отдельным признакам рассчитывали как величину среднего относительного различия между сторонами на признак, или среднее арифметическое отношений разности к сумме промеров листа слева и справа, отнесенное к числу признаков, или по алгоритму нормированной разности [43]:

где i –ый лист; j –ый признак; n, m – количество признаков и листьев; L, R – величина признаков левой и правой половины листа.

При необходимости при расчете флуктуирующей асимметрии используется свертка функции [49]:

При определении флуктуирующей асимметрии руководствовались Методическими рекомендациями по выполнению оценки качества среды по состоянию живых существ (оценка стабильности развития живых организмов по уровню асимметрии) [60].

Для измерения флуктуирующей асимметрии листовых пластинок эдифицирующих древесных пород использовали те же самые побеги, что и для определения индекса повреждения их ассимилирующей поверхности. При этом с помощью фотокамеры (марка Samsung L73; 7,2 Мп) снимали изображение листовых пластинок, которые перед съемкой рядами раскладывали на белой бумаге, фиксируя при фотографировании этикетку с указанием места сбора, даты и экспозиции побегов. Побеги хвои сосны использовали для непосредственных измерений ее длины, хвою сосны фотографировали или измеряли непосредственно, учитывая ее возраст, выделяя отдельно хвою сосны первого года жизни, второго и последующих лет жизни. Фотографии распечатывались на специальном принтере и использовались для измерения длины хвои сосны.

Определение флуктуирующей асимметрии с использованием фотоснимков листовых пластинок было обусловлено тем, что условия их хранения (например, в холодильнике в полиэтиленовом пакете), фиксация или гербаризация влияли на величину показателей, характеризующих морфологические признаки [72]. При необходимости использования ФА, полученной на фиксированном материале, рекомендуется пользоваться коэффициентами, характеризующими степень деформации и уравнениями ее зависимости от сроков хранения.

Все измерения выполняли на фотоснимках, используя измерительные инструменты: штангенциркуль, транспортир, курвиметр для измерения длины хвои сосны. Расстояние между жилками, их длина измерялась с точностью до 0,5 мм, углы промерялись с точностью до 1 градуса. Измеряемые показатели вносились в таблицы, составленные в программе Excel. Общее количество листьев, на которых были измерены параметры флуктуирующей асимметрии, составляло в 2002 г.

1108 штук (5540 измерений), в 2010-2011 гг. – 842 штуки (2374 измерения) и в 2012 г. – 1012 штук (5060 измерений). В этой же программе проводилась и первичная статистическая обработка материалов. Более детальная статистическая обработка материалов выполнялась с использованием программы Statistica v5.5.

2.3.3. Определение барьерных свойств растительных объектов Для определения барьерных свойств растительных побегов в течение 2009гг. была выполнена серия опытов в стеклянных эксикаторах, закрывающихся притертой крышкой с отверстием в верхней ее части. При определении барьерных свойств растительных побегов в качестве поллютанта выбрали диоксид серы.

Выбор этого поллютанта был обусловлен тем, что на территории промзоны г. Ангарска действуют такие предприятия, как Химический завод ОАО «АНХК», ТЭЦ-9 и ТЭЦ-10 ОАО «Иркутскэнерго», которые при производстве серной кислоты и сжигании углей с относительно высоким содержанием серы в достаточно большом количестве выбрасывают SO2 в атмосферу г. Ангарска [28-33]. При этом анализ программ природоохранных мероприятий Химического завода ОАО «АНХК» и ТЭЦ-10 ОАО «Иркутскэнерго» последнего десятилетия показал их нацеленность в первую очередь на меры по снижению выбросов диоксида серы.

На дне стеклянных эксикаторов объемом 7 л, закрывающихся притертой крышкой с отверстием в верхней ее части, размещали реактивы: сульфит натрия и 80% раствор серной кислоты. В результате их химического взаимодействия выделялся диоксид серы [81]:

Опыты проводили с разными навесками соли (сульфита натрия), из которой получали диоксид серы. При этом верхний предел теоретических концентраций SO2, создаваемых в опытах при навесках соли 240 мг, был меньше 0,5% по объему. Это примерно на порядок ниже концентраций диоксида серы, при которых может произойти химическое заражение приземного слоя воздуха в поражающих человека дозах, составляющих 5,5–7,4% об.

В опытах крышку эксикатора плотно закрывали, предварительно промазывая ее края вазелином. Перед началом опыта в отверстие в крышке вставлялась пробка с плотно вставленным в нее пластиковым наконечником, на который натягивался небольшой кусок шланга, который прочно закрывался зажимом. Через конец шланга из эксикатора брали пробу воздуха шприцем объемом 100 мл, ее переносили в поглотительный прибор Рыхтера, заполненный поглотительным раствором. Содержимое пробирок встряхивали, через 15 минут определяли оптическую плотность растворов. В качестве поглотительного раствора использовали 0,3% – ый раствор перекиси водорода. Для этого 10 мл 30% –ной перекиси водорода (Н2О2) растворяли в 1 л воды. Полученный 0,3% – ый раствор перекиси водорода хранили в тмном стекле.

Сущность метода состоит в окислении сернистого газа в процессе его улавливания из воздуха 0,3% раствором перекиси водорода с последующим турбидиметрическим определением образующегося сульфат – иона с хлоридом бария [67].

Предел чувствительности метода позволяет определять концентрации двуокиси серы в диапазоне от 0,08 до 1,5 мг/м3. Диапазон концентраций измеряемых в эксикаторах составлял 0,295–1,475 мг/м3. Экспозиция опытов составляла 10 минут.

Были проделаны опыты и с большей экспозицией (20 мин, 1 час, сутки).

Определение концентрации диоксида серы проводили, используя стандартный метод [67]. Концентрацию диоксида серы в воздухе эксикатора рассчитывали по формуле [16]:

где К – коэффициент (определялся по калибровочному графику, рисунок 6), мкг/опт. пл.; Д – разность между оптической плотностью опытной и холостой пробы; V1 – объм поглотительного раствора в приборе Рыхтера (6 мл); V2 – объм анализируемого раствора (5 мл); V3 – объм прокачиваемого через шприц воздуха, м3.

Для получения необходимых данных с целью построить калибровочную кривую была приготовлена серия стандартных растворов в мерных колбах соответствующей емкости [67]. Калибровочная кривая (рисунок 6) построена по средним значениям, которые были получены по результатам измерений пяти заданных концентраций растворов (таблица 5) (из которых первый раствор соответствовал холостой пробе).

Рисунок 6 – Зависимость оптической плотности от содержания диоксида серы в Для определения содержания диоксида серы в воздухе эксикатора 5 мл раствора пробы переносили в пробирки, добавляли по 1 мл раствора хлорида бария (ВаСl2). Содержимое пробирок тщательно встряхивали и через 15 минут определяли оптическую плотность растворов с использованием ФЭК-56 в кюветах шириной 10 мм при длине волны 400 нм по отношению к холостому раствору. При этом одновременно проводили измерения нулевой пробы (оптическая плотность нулевой пробы выдерживалась на уровне не более 0,01), используя 5 мл поглотительного раствора с добавлением составного реактива.

Для получения составного реактива кристаллический хлорид бария растворяли, добавляли этиловый спирт и глицерин [16, 67]. Величину рН измеряли с помощью рН-метра; величину рН доводили до уровня 2,5–2,8 концентрированной соляной кислотой и оставляли полученный раствор на 48 часов.

Рассчитав концентрацию диоксида серы (8) в воздухе эксикатора, е соотнесли с его концентрацией, определяемой по уравнению химической реакции сульфита натрия и серной кислоты (7).

Таблица 5 – Растворы для приготовления шкалы стандартов при определении SO раствор (содержание мкг/мл), мл.

Поглотительный раствор H2O2 (0,3%), мл.

Оптическая плотность первая серия растворов Средняя оптическая плотность Оптическая плотность вторая серия растворов Средняя оптическая плотность Содержание SO2 в пробе, (мкг) Это соотношение характеризовало долю диоксида серы, находящуюся в воздухе эксикатора. При этом оставшаяся доля SO2 характеризовала адсорбцию диоксида серы поверхностью эксикатора и объектами, размещнными в нем (облиственные побеги исследуемых древесных растений).

В экспериментах в качестве растительного барьера, размещаемого на пути диффузии поллютанта диоксида серы, использовали соответственно охвоенные и облиственные побеги сосны и березы (основных средообразующих древесных пород селитебной и санитарно-защитной зоны промышленных предприятий г. Ангарска), которые крепили специальным образом в нижней боковой части эксикатора. Использование не только побегов исследуемых древесных растений, но и листьев некоторых комнатных растений было связано с изучением влияния на адсорбцию в условиях эксперимента формы и размеров объекта, используемого в качестве растительного барьера.

При этом в опытах использовали побеги древесных растений, выдержанные после срезания в течение нескольких часов в темноте. Этим уменьшали влияние газообменных процессов, способствующих проникновению поллютанта через устьица внутрь листа, на сорбционные процессы, протекающие на его поверхности. Общее число опытов с эксикаторами составило 175, выдерживали минимальную трехкратную повторность экспериментов.

Площадь поверхности листовых пластинок определяли весовым методом [81]. Для этого листовую пластинку после эксперимента зарисовывали на бумаге, вырезали по контуру и взвешивали. При этом взвешивали и точно такую же чистую бумагу площадью 100 см2. Зная массу 100 см2 бумаги и массу вырезанного по контуру листа, рассчитывали площадь последнего.

Площадь поверхности хвои сосны определяли по методике [83], используя зависимость поверхности 1 г сухой хвои сосны от е удельной линейной плотности, которую определяли, измеряя длину 50 пар хвоинок побега линейкой, затем их высушивали до абсолютно сухой массы при 1050С, которую определяли, взвешивая хвою сосны на торсионных весах. Удельную линейную плотность определяли с точностью до 1 мг.

Согласно методике [83], периметр хвоинки для сосны обыкновенной рассчитывался по формуле Тирена:

где П периметр хвои, а толщина хвои, b ширина хвои сосны обыкновенной.

Авторы [83] подчеркивают, что с помощью их подхода можно определять площадь поверхности как сырой, так и сухой хвои, но использование массы сухой хвои сосны целесообразнее в связи с тем, что хвоя в ряде случаев обладает довольно значительным водным дефицитом. На основании формулы (9) авторами [83] были получены соответствующие зависимости и рассчитаны таблицы для определения площади поверхности. Для определения площади поверхности хвои сосны нами использовались данные, представленные в таблице 6.

хвои, мг ПоверхПоверхПоверхПоверхПоверхМасса см длисм дли- ность, Примечание: Цифры, приведнные, в таблице отвечают эмпирическим уравнениям: для сухой массы хвои сосны S=2,47W0,572е0,0335W, где S поверхность 1 г сухой хвои сосны, W Поверхность обесхвоенного побега определяли по формуле поверхности цилиндра, измеряя длину и диаметр побега.

Глава 3 Оценка состояния растительного покрова территории г. Ангарска по степени повреждения листовых пластинок 3.1. Определение индекса повреждения листовых пластинок Визуальное исследование листовых пластинок основных древесных пород, произрастающих на территории г. Ангарска и АМО (сосна, тополь и береза), показало, что наиболее часто встречающимися повреждениями листовых пластинок хвои сосны были хлорозы, некрозы, сухие кончики хвоинок, а лиственных древесных пород – некрозы и повреждения, обусловленные биотическими взаимодействиями. При визуальном осмотре листовых пластинок исследуемых древесных пород фиксировали все виды перечисленных повреждений, но у сосны из отмеченных повреждений преобладали хлорозы и некрозы хвои сосны.

В таблицах 7,8,9 представлены результаты визуального осмотра хвои сосны на разных участках в пределах урбанизированной территории г. Ангарска и АМО, полученные в 2011 году, а в таблице 10 – в 2012 году. Изучение характера повреждений и определение доли хвои сосны с повреждениями проводили, используя разновозрастную хвою сосны (1–3 года жизни) нескольких опытных побегов. Доли хвои сосны с повреждениями определяли как отношение поврежденных хвоинок к общему их числу данной возрастной группы и всех исследованных групп хвои сосны опытного побега.

В отличие от исследуемых лиственных древесных пород, у которых отмечались повреждения, вызванные биотическими взаимодействиями, для сосны, помимо представления результатов в виде доли хвои сосны с дехромациями, рассчитывали индекс повреждений (Iповр), характеризующий совокупность признаков листовой пластинки, обусловленную появлением различных дехромаций (глава 2, п. 2.3.1).

Таблица 7 – Доля повреждений хвои сосны в ее пробах, взятых в нижней части середины кроны сосен, растущих на участках в пределах АМО, % (точки №1 - №4, фоновый участок) координаты, дата сбора

I II III IV V

№2 – парк «Победы»; №3 – парк за ДК «Энергетик»; №4 – парк ДК «Нефтехимик; фоновый участок расположен в 26 км к юго-западу от г. Ангарска (заимка Якимовка).

Таблица 8 – Доля повреждений хвои сосны в ее пробах, взятых в нижней части середины кроны сосен, растущих на координаты, дата сбора

I II III IV V

№5 – парк «Строителей»; №6 – 85 кв-л; №7 – МОУ шк. №38; №8 – 11 мкрн., напротив МОУ шк. №7; №9 – ул. Троицкая.

Таблица 9 – Доля повреждений хвои сосны в ее пробах, взятых в нижней части середины кроны сосен, растущих на координаты, дата сбора

I II III IV V

Таблица 10 – Доля повреждений хвои сосны в ее пробах, взятых в нижней части середины кроны сосен, растущих на координаты, дата сбора

I II III IV V

У побегов, взятых в фенофазу роста хвои сосны первого года жизни, только в половине исследованных точек отсутствовали повреждения ассимилирующих органов (таблицы 7 – 10). Однолетняя хвоя сосны чаще всего имела повреждения в виде хлорозов, что свидетельствовало о нарушениях пигментного комплекса листьев. Так, в ряде работ было показано снижение содержания хлорофиллов а и b при высокой концентрации поллютантов на урботерриториях [107, 121, 122, 123].

Хвоя сосны первого года жизни отставала в развитии, поскольку довольно часто к окончанию фенофазы роста хвои сосны (II – III декада июля) [38] встречалась хвоя сосны, едва вышедшая из чехликов. Недоразвитие хвои сосны у побегов в нижней части середины кроны сосны вполне могло быть обусловлено действием неблагоприятных факторов антропогенной природы, поскольку в атмосфере, насыщенной поллютантами отмечалось подавление роста листьев [121] и недоразвитие внутренних тканей хвои сосны, как это было показано, например, для Abies firma [122].

Хвоя сосны 2 – го года жизни, являясь наиболее производительным источником ассимилятов [38], практически во всех исследованных точках территории г.

Ангарска во все годы наблюдений имела повреждения не только в виде хлорозов, но и отдельных некротических пятен различных размеров. В месте образования некротических пятен отмирали клетки тканей листа; этому предшествовали такие процессы, как дезорганизация мембран, дегенерация хлоропластов, увеличение содержания гетерогенных мультивезикулярных структур [93]. Для сосны обыкновенной также было отмечено снижение содержания ионообменных групп в структуре клеточных стенок хвои сосны[75].

Судя по величинам долей в числителе (таблицы 7 – 19), количество повреждений хвои сосны у побегов в большинстве случаев имело тенденцию к увеличению от хвои сосны второго к хвое сосны третьего года жизни. У хвои сосны 3-го года жизни кроме хорошо выраженных хлорозов и отдельных некротических пятен (некрозов), встречающихся на протяжении хвоинок, отмечались некрозы, имеющие величину до 7–11, 13 – 24 и даже до 45 мм на их кончиках. Хвоя старших возрастов (4 –5 год жизни), если встречалась на побегах, то была представлена относительно небольшим числом пар и практически вся имела повреждения в виде хлорозов, некрозов или сухих хвоинок в паре.

Количество поврежденной хвои сосны на побегах изменялось в значительных пределах. По данным таблицы 7 изменялись – от 6,4–10,3 % до 96,7–97,8%;

по данным таблицы 8 – от 13,9–19,4 % до 82,4-85,6 %; по данным таблицы 9 – от 12,3–17,4 % до 60,6–68,4 % и по данным таблицы 10 – от 23,5–25,5 % до 74,5– 84,3%. В среднем более половины 1–3-летней хвои сосны проанализированных побегов имели повреждения, обнаруживаемые при ее визуальном исследовании.

На отдельных побегах доля хвои сосны с дехромациями превышала 90% (таблицы 7 – 10). Во всех исследованных точках средняя доля хвои сосны с дехромациями была выше, чем на фоновом участке (таблица 7).

На территории АМО и в селитебной части г. Ангарска исследовали не только повреждения хвои сосны обыкновенной, но и листовые пластинки лиственных пород (береза, тополь). Как известно, хвойные породы древесных растений, в частности сосна обыкновенная, характеризуются низкой газоустойчивостью (V класс) [56]. Вместе с тем, визуальное исследование ассимилирующих органов лиственных пород, прежде всего, березы, показало высокую долю различного рода повреждений (от 78,6 до 100%). При этом на фоновом участке (заимка Якимовка) доля повреждений листьев березы составляла 20%. У березы повреждения в большей мере были характерны для листьев побегов прошлых лет жизни, чем текущего года, а по характеру преобладали повреждения, обусловленные биотическими взаимодействиями.

На рисунке 7 представлены фотографии хвои сосны разных лет жизни побегов, использованных для ее визуального исследования, на рисунке 8 – фото листьев лиственных древесных пород (береза, тополь, черемуха). На фотографиях показаны наиболее характерные для исследованных древесных пород повреждения (дехромации) ассимилирующих органов, встречающиеся на урботерритории г.

Ангарска.

Рисунок 7 – Наиболее характерные повреждения хвои сосны, растущей в пределах урботерритории г. Ангарска Обозначения: а – хвоя сосны первого года жизни; б – хвоя сосны второго года жизни; в и г – хвоя сосны 3-го и 4-го года жизни.

Рисунок – 8. Наиболее характерные повреждения листовых пластинок лиственных древесных пород растительного покрова урботерритории г. Ангарска Обозначения: а – листья тополя (Populus sp.); б – листья черемухи (Padus sp.); в – листья березы Используя данные таблиц 7 – 10 и формулу (4), рассчитали индекс повреждений хвои сосны (таблица 11).

Таблица 11 – Величина индекса повреждений хвои сосны обыкновенной, Примечание: Индекс повреждений фонового участка составлял 1,114±0,0068. В таблице приведены средние величины и стандартная ошибка среднего.

Как видим, величина Iповр во всех точках, исследованных на территории г.

Ангарска, оказалась выше величины индекса, определенной в фоновой точке.

Минимальная величина индекса отмечалась в точках №3, №9 и №13 (Парк за ДК «Энергетик», ул. Троицкая, Ленинградский проспект (251 кв.)), а максимальная – в точке №2 (Парк «Победы»). При этом средние величины индекса повреждения во всех точках были достоверно выше, чем его величина, найденная в фоновой точке. Статистические показатели (“Descriptive statistics”), рассчитанные с использованием пакета Statistica v.5.5, приведены в таблице 12.

Из данных таблицы 12 следует, что для 70% точек, где брали побеги сосны, получены величины коэффициента вариации, свидетельствующие о слабой (до 10%), а для остальных – средней изменчивости индекса повреждений хвои сосны (11-25%). Относительная ошибка среднего значения индекса повреждений хвои сосны изменялась в небольшом диапазоне (1,4-7,5%). Следовательно, не более чем на 10% можно было ошибиться, утверждая, что генеральная и выборочная средняя равны между собой. Только в 80% точек асимметрия выборок расценивалась как малая, а кривые распределения остальных выборок характеризовались правосторонней или левосторонней асимметрией. Эксцесс, характеризующий степень концентрации случаев вокруг среднего значения и являющийся мерой крутости кривой распределения, был и больше, и меньше нуля.

Представленные в таблице 11 средние величины индекса повреждения хвои сосны были сгруппированы в четыре группы.

В первую группу вошли точки №3, №9, №13 (Iповр1,715) – точка №2 (Парк «Победы»), имеющая максимальное значение индекса повреждений хвои сосны.

Величины Iповр точек, попавших в первую, вторую и третью группу, сравнили между собой, используя критерий Стьюдента и процедуру “t-test for independent samples” программы Statistica v.5.5. Как видим (таблица 13), точки, образующие первую и вторую группу не имели достоверных различий в пределах каждой из этих групп. Сравнение выборок точек третьей группы по парам показало, что среднее значение индекса повреждений хвои в точке №7 (МОУ шк. №38) достоверно отличалось от аналогичных его величин, найденных для точек №4 и № (Парк ДК «Нефтехимик», 290 кв. (напротив бывшего АЭМЗ)). Это явилось основанием для исключения точки №7 (МОУ шк. №38) из третьей группы точек.

Средние значения индекса повреждений хвои сосны в каждой из трех групп точек также сравнили со средней величиной Iповр, который был отмечен у точки № (Парк «Победы»), образующей четвертую группу.

Поскольку точки первой и второй групп не имели достоверных различий средних величин, это позволяло считать их принадлежащими не только одной группе, но и одной линии, условно соответствующей изолинии. Соединение точек первой группы, не имеющих достоверных различий по Iповр, показано на рисунке 10. Как видим из этого рисунка, относительно основных источников загрязнения исследуемой урбанизированной территории, точки первой группы в основном размещались в центральной ее части.

Аналогичный подход использовали и ко второй группе точек, средние значения которых также как и средние точек первой группы не имели достоверных различий. Соединение точек второй группы показано на рисунке 10. Как видим, точки ограничивают часть урбанизированной территории г. Ангарска, которая имеет вытянутую форму со смещением в направлении от центральной части города к юго-западному направлению, подходя достаточно близко к берегу р. Китой.

Поскольку в третьей группе точек единственная точка (№7) имела достоверные различия своей средней величины со средними значениями Iповр точек № и №17, она была исключена из числа точек третьей группы, входящих в диапазон 1,515 – 1,715 и образующих «изолинию» в этом диапазоне (рисунок 11). Как видим, точки третьей группы ограничивали наиболее значительную часть урботерритории г. Ангарска, включая и ту ее часть, которая была наиболее близко расположена к промышленной зоне города и основным источникам выбросов (ОАО «АНХК» и ТЭЦ-10 «Иркутскэнерго»), имея смещение в восточном и юговосточном направлении.

Средние значения индекса повреждений точек первой группы достоверно отличались от его величины у разного числа точек второй группы. Так, точка № первой группы и только три точки второй группы (№6, №14 и №18) имели достоверные различия средних Iповр. Индекс повреждений, зафиксированный в точках №9 и №13 первой группы, и шесть точек второй группы (№6, №19, №19, №10, №15, и №4) достоверно различались при р < 0,05.

В итоге это сравнение, опирающееся на t-test, позволило, считать, что точки второй группы, характеризующиеся более высоким по величине по сравнению с точками первой группы диапазоном изменений индекса повреждений, в основном были приурочены к центральной части урботерритории г. Ангарска.

Таблица 12 – Результаты расчета статистических показателей по выборкам индекса повреждений хвои сосны точек Стандартная Медиана Минимум Максимум Дисперсия Стандартное Асимметрия Эксцесс Примечание: Название двадцати точек приведено в таблице 11.

Таблица 13 – Результаты расчета показателей процедуры “t-test for independent samples” группа точек