1.7.2. Загрязнение растительности

Взаимодействие тяжелых металлов с растениями

Тяжелые металлы являются протоплазматическими ядами с очень узким оптимальным и безвредным интервалом концентрации - в этом их опасность. Повышение концентрации тяжелых металлов в почве не всегда приводит к отрицательному воздействию на растения, так как некоторые из них в виде микроэлементов участвуют в физиологических процессах и необходимы растениям. Токсичное действие тяжелых металлов проявляется при увеличении их концентрации выше оптимальной (рис. 5.2). Токсичность тяжелых металлов возрастает по мере увеличения атомной массы и может проявляться по-разному.

Концентрация микроэлементов

Рис. 5.2. Отклик растений на стресы, вызванные дефицитом микрэлементов: 1 - жизненно необходимые микроэлементы; 2 - микроэлементы, не имеющие жизненно важного значения

Ртуть, свинец, медь, бериллий, кадмий, серебро подавляют щелочную фосфатазу, каталазу, оксидазу, рибонуклеазу. Алюминий, железо, барий образуют преципитаты и хелатированные комплексы с метаболитами, препятствуя их дальнейшему участию в обмене веществ, способствуют деградации важнейших метаболитов. Кадмий, медь, железо могут вызывать разрыв клеточных мембран и т.д. Повреждение ферментов относится к главным факторам токсического действия тяжелых металлов.

Растения имеют три защитных барьера против поступления тяжелых металлов: на границах почва - корень, корень - стебель, стебель - репродуктивные органы. Больше всего тяжелых металлов накапливается в корнях, меньше - в стеблях, а минимальное их количество находится в репродуктивных органах. Даже при стократном повышении концентрации ртути в почве (10 мг/кг) в растение она поступает в незначительном количестве. Концентрация свинца в растениях зависит от его концентрации в почве, но различается для разных органов растения (рис. 5.3) [14].

Рис. 5.3. Концентрация свинца в различных органах даурской лиственницы в зависимости от его содержания в почве: 1- корни; 2 - кора; 3 - хвоя; 4 -ветви; 5 - ствол

Концентрацию тяжелых металлов в клетках растений регулируют металлотионеины - богатые серой низкомолекулярные белки, связывающие кадмий, цинк, ртуть, медь, серебро. Велико значение и транспирации. Растение перекачивает из почвы в атмосферу с током воды не только хлор, натрий, калий, но и ртуть, цинк, свинец. Процесс выделения этих металлов с испаряемой влагой можно рассматривать как средство избавления растений от вредных элементов. Совместное действие нескольких тяжелых металлов (кадмия, цинка, свинца) менее токсично, чем каждого в отдельности, что объясняется антагонизмом ионов при их поглощении растением.

При загрязнении атмосферы выбросами транспортных потоков значительное количество тяжелых металлов может поступать в растения некорневым путем по безбарьерному механизму. Аэрозольные частицы закрепляются на поверхности листьев, например с помощью гутационных выделений, способствующих образованию органоминеральных соединений.

Состояние и уровень загрязнения растительности на придорожной территории.

Для оценки загрязнения растительного покрова в придорожной полосе можно использовать коэффициент биологического накопления (КБН), равный отношению концентрации тяжелых металлов в золе растений к их концентрации в почве. При известных КБН и концентрации тяжелых металлов в почве можно определить их концентрацию в золе растений.

Сравнение КБН с ПДК_т.м. позволяет оценить степень токсичности растений вблизи дорог.

В табл. 5.5 и 5.6 приведены результаты оценки загрязнения растительного покрова и древесно-кустарниковой растительности вблизи городской автомагистрали, полученные А. В.Лобиковым.

Таблица 5.5 – загрязнение тяжелыми металлами растительного покрова вблизи городской автомагистрали

Металл	Массовая доля, %	Средняя массовая доля, %	Нормативное значение КБН	ПДКт.м. в почве, мг/кг сухого вещества
Никель	-	-	-	20…30/3
Кобальт	0,09…0,85	0,4	0,8	10…20/0
Хром	0,002…0,150	0,07	3,0	1,3/0
Свинец	0,3…9,3	3,3…4,7	0,6	0,5…20,0/0
Цинк	0,1…10,3	1,4…2,5	2,1	150…300/0
Медь	0,3…30,2	1…5	4,1	15…20/0

Примечание. В числителе приведены данные для вех видов растений, в знаменателе – для кормов.

Таблица 5.6 – концентрация тяжелых металлов в зоне древесно-кустарниковой растительности придорожной лесополосы, мг/кг воздушно-сухой навески

Металл	Травянистый покров	Листья липы
Кадмий	0,321	0,181
Свинец	1,55	6,65
Цинк	51,4	53,5
Медь	7,4	13,1

Экологически неблагополучные придорожные территории с резким изменением химического элементного состава компонентов окружающей природной среды могут быть не только природного, но и техногенного происхождения. Растительность как биотический компонент природной экологической системы играет решающую роль в структурно-функциональной организации экологической системы и определении ее границ. Растительность не только чувствительна к изменениям параметров окружающей среды, но и наглядно отражает изменения экологической обстановки территории в результате антропогенных воздействий. Качественные показатели учитывают негативные изменения как в структуре растительного покрова (уменьшение площади коренных ассоциаций, изменение лесистости), так и на уровне растительных сообществ и отдельных видов (популяций): изменение видового состава, ухудшение ассоциированности и возрастного спектра биоценотических доминирующих видов.

Плотность популяции видов-индикаторов - один из показателей состояния экологических систем, высокочувствительных к техногенным воздействиям. При увеличении техногенных воздействий плотность популяции отрицательных видов-индикаторов снижается, а положительных - возрастает. Пороговым значением антропогенной нагрузки следует считать снижение (или повышение) плотности популяции вида-индикатора на 20 % (в зоне чрезвычайной экологической ситуации), а критическим значением - на 50 % (в зоне экологического бедствия).

Для оценки состояния растительности на придорожной территории используют показатели, отражающие изменение отношения концентраций углерода и азота в различных компонентах среды и уровни содержания токсичных и биологически активных микроэлементов в укосах растений с пробных площадок и в растительных кормах (табл. 5.7) [15].

Таблица 5.7 – Биогеохимические показатели оценки придорожных территорий

Показатель	Относительно удовлетворительная экологическая ситуация	Чрезвычайная экологическая ситуация	Экологическое бедствие
Отношение концентраций углерода и азота:
в почвах	8-20	4-8	Менее 4
в поверхностных водах	8-12	Менее 8 или 16-20	Менее 4 или более 20
в растениях	8-12	4-8	Менее 4
в растительных кормах	4-8	Менее 4 или 12-16	Менее 4 или более 16
Содержание химических элементов в укосах растений и растительных кормах:
ртуть, кадмий, свинец, мышьяк, сурьма, никель, хром (превышение МДУ*)	В 1,1 – 1,5 раза	В 5 – 10 раз	Более чем в 10 раз
селен, мг/кг воздушно - сухого вещества	0,1…0,5	0,02…0,05	Менее 0,02 или более 0,5
фтор, мг/кг воздушно- сухого вещества	10…20	2…10 или 50…200	Менее 2 или более 200
медь, мг/кг воздушно- сухого вещества	10…20	3…5 или 80…100	Менее 3 или более 100
таллий, бериллий, барий (превышение фоновых значений), %	Менее 1,5	5…10	Более 10

МДУ* - максимально допустимый уровень

Показатели, по которым оценивают состояние растительности, различаются в зависимости от географических условий и типов экологических систем (табл. 5.8). Важным параметром является доля участия в биоценотической популяции особей разных возрастных состояний. Возрастные состояния устанавливают на основании комплекса морфологических признаков.

Таблица 5.8 – показатели состояния растительности как индикатора экологического благополучия территории

Показатель	Относительно удовлетворительная экологическая ситуация	Чрезвычайная экологическая ситуация	Экологическое бедствие
Уменьшение биоразнообразия (индекс разнообразия Симпсона), %	Менее 10	25...50	Более 50
Плотность популяции вида индикатора антропогенной нагрузки, %	Менее^1 (более ^1) 20	20...50	Более^1 (менее^1) 50
Площадь коренных (или квазикоренных) ассоциаций, % общей площади	Более 80	Менее 30	Менее 5
Возрастной спектр биоценотической популяции доминирующих видов (возобновление), отн. ед.	Более 0,5	0,1…0,3	Менее 0,1
Лесистость, % оптимальной	Более 90	Менее 30	Менее 10
Запас древисины основных лесообразующих пород, % нормы	Более 80	30…60	Менее 30
Повреждение древостоев техногенными выбросами, % общей площади	Менее 5	30... 50	Более 50
Повреждение хвойных пород техногенными выбросами (повреждение хвои), %	Менее 5	30...50	Более 50
Заболевание древостоев, %	Менее 10	30...50	Более 50
Гибель лесных культур, % площади лесокультурных работ	Менее 5	50... 70	Более 70
Площадь посевов, поврежденных вредителями, % общей площади	Менее 10	20... 50	Более 50
Гибель посевов, % общей площади	Менее 5	15...30	Более 30
Продуктивность пастбищной растительности, % потенциальной	80	5...30	5
Изменение ареалов редких видов растений	Отсутствует изменение ареалов	Разделение и сокращение площади ареала	Исчезновение ареала
Площадь зеленых насаждений (на 1 чел. в крупных городах), % нормы	Более 90	10...30	Менее 10

Показатели состояния растительности отражают как прямые (выпас, рубки), так и опосредованные (через изменение экотопа) техногенные воздействия. Кроме того, индикатором уровня антропогенной нагрузки на окружающую среду могут служить внешние признаки состояния растительности: повреждение древостоев или хвои техногенными выбросами, уменьшение площадей и продуктивности пастбищной растительности (табл. 5.9).

Таблица 5.9 – Категории состояния древесной растительности

Категория состояния деревьев	Признаки состояния деревьев различных пород
	Хвойные	Лиственные
I (без признаков ослабления)	Крона густая; хвоя зеленая, блестящая; прирост текущего года нормального размера для данной породы, возраста, сезона и условий местопроизрастания	Стволы и корневые лапы не имеют внешних признаков поражения
II (ослабленные)	Крона ажурная; хвоя зеленая, светло-зеленая или обожжена не более чем на 1/3; годовой прирост уменьшен не более чем наполовину; усыхание отдельных ветвей, повреждение отдельных корневых лап, местное повреждение ствола	Крона ажурная; листва рано опадает; годовой прирост уменьшен до 1/2; усыхание отдельных ветвей; местные повреждения ствола и корневых лап; единичные водяные побеги
III (сильно ослабленные)	Крона сильно ажурная; хвоя бледно-зеленая или матовая либо обожжена более чем на 1/3; годовой прирост очень слабый; усыхание до 2/3 кроны; повреждения корневых лап или ствола, окольцовывающие их до 2/3; попытки поселения или местные поселения стволовых вредителей; плодовые тела и иные признаки деятельности дереворазрушающих грибов на стволе и корневых лапах	Крона ажурная; листва мелкая, светлая, рано желтеет и опадает; годовой прирост очень слабый или отсутствует; усыхает до 2/3 кроны; повреждение ствола и корневых лап на 2/3 окружности; сокотечение на стволах и скелетных ветвях; попытки поселения стволовых вредителей; множественные водяные побеги, плодовые тела, иные признаки деятельности дереворазрушающих грибов на стволе
IV (усыхающие)	Крона сильно ажурная; хвоя желтоватая или желто-зеленая, осыпается; годовой прирост очень слабый или отсутствует; усыхание более 2/3 ветвей; повреждения ствола и корневых лап более 2/3 окружности; имеются признаки повреждений	Усохло или усыхает более 2/3 кроны; повреждение более 2/3 окружности ствола и корневых лап; признаки заселения стволовыми вредителями; усыхающие водяные побеги
V (свежий сухостой (текущего года))	Хвоя серая, желтая или красно-бурая, частично осыпалась; частичное опадание коры; дерево заселено или повреждено стволовыми вредителями	Листва усохла, увяла или отсутствует; частичное опадание коры; дерево заселено или повреждено стволовыми вредителями
VI (старый сухостой (прошлых лет))	Живая хвоя отсутствует; кора и мелкие веточки осыпались частично или полностью; летные отверстия стволовых вредителей; под корой грибница дереворазрушающих грибов	-

Как отмечено ранее, загрязняющие вещества попадают в растения не только через почву, но и через воздух. В результате вокруг промышленных предприятий и дорог гибнут леса, травянистая растительность, появляются «промышленные пустыни», начинается эрозия почв. Так, при среднегодовой концентрации сернистого газа свыше 0,07 мг/м³ хвойные леса погибают через 10-20 лет, а лишайники - через 4-5 лет. Поэтому наряду с санитарно-гигиеническим нормированием качества воздуха В. С. Николаевский предложил ввести нормативы загрязнения воздуха различными веществами, вредными для человека и растений (табл. 5.10)

Таблица 5.10 – Максимальные разовые значения ПДК при загрязнении воздуха веществами, вредными для человека и растений

Загрязняющие вещества	Значения ПДК, мг/м^3, веществ, вредных
	для человека	для растений
Диоксид серы	0,5	0,02
Аммиак	0,2	0,05
Диоксид азота	0,085	0,02
Хлор	0,1	0,025
Сероводород	0,008	0,02
Метанол	1,0	0,20
Бензол	1,5	0,10
Формальдегид	0,035	0,02
Циклогексан	1,4	0,20
Оксид углерода	5,0	4 000
Пары серной кислоты	0,3	0,1

Нормативы установлены по достоверному подавлению фотосинтеза как самой чувствительной реакции растений на газы в токе воздуха с помощью изотопного метода (¹⁴СО₂) в оптимальных для фотосинтеза условиях (температура воздуха 28 °С, освещенность 40000...50000 лк, влажность воздуха 80...90%, оптимальное минеральное питание). Сравнивая данные ПДК для древесных пород и измеренные концентрации загрязняющих веществ в атмосферном воздухе вблизи городской автомагистрали, можно отметить превышение ПДК, например, по саже в 58 раз, по оксидам азота в 21 раз.

Мероприятия по защите придорожной растительности.

На придорожных территориях, где естественные экологические системы под воздействием транспортного загрязнения деградируют и погибают, основными являются мероприятия, связанные с формированием искусственных экологических систем [16].

Эффективность защиты придорожной территории от транспортных загрязнений зависит от видового состава биоты придорожной полосы. Биота призвана создать максимальный защитный эффект и обеспечить устойчивое выполнение защитных функций окружающей среды в агрессивных условиях придорожной территории. Максимальный средозащитный эффект достигается при высоком биоразнообразии придорожной экологической системы.

Помимо различных видов деревьев в лесопосадках следует уделять внимание кустарникам, другим видам растительности, чтобы заполнить пространство между кронами деревьев и почвой.

Можно выделить следующие критерии видового отбора растений для экологической системы придорожной полосы:

• устойчивость к газопылевым выбросам, тяжелым металлам, изменению солености и кислотности почвы, уплотнению и подтоплению почвы, вредителям и болезням растений, электромагнитным полям и тепловым аномалиям;

• способность создавать придорожный ландшафт, положительно действующий на восприятие водителем условий дороги;

• максимальная снего- и пылезащита;

• снижение уровня транспортного шума;

• регуляция кислородного баланса;

• восстановление почвенного плодородия (аккумуляция тяжелых металлов биомассой);

• фиксированные пределы роста биомассы (по аналогии с английской газонной травой, которая растет только на 50...60 мм в год).

Следует отказаться от посадки деревьев в непосредственной близости от проезжей части дорог и тротуаров. В рядах деревьев можно использовать наиболее устойчивые виды лип - широколистную и голландскую, с аккуратной густой кроной, крупной листвой, более длительным, чем у мелколистной, периодом вегетации. Для задернения и окультуривания обочин дорог перспективным является использование посевов устойчивых видов многолетних газонных трав (культурного вида райграса пастбищного и дикорастущего галофита бескильницы тончайшей), которые показывают повышенную солеустойчивость. Высокую чувствительность к действию солей обнаружили полевица белая, мятлик луговой и овсяница красная, традиционно используемые для составления газонных травосмесей.

При конструировании искусственной экологической системы следует предусмотреть специализированный уход за ней, поскольку ее неестественное происхождение исключает самодостаточность, наблюдаемую в природе. Воздушная и почвенная среда придорожной территории резко отличаются от естественных условий, в которых формировались наследственные биологические свойства используемых для озеленения растений. Отсутствие специализированного ухода за искусственной экологической системой увеличивает вероятность ее быстрой деградации. При обязательном поливе, внесении удобрений, рыхлении, мульчировании и утеплении почвы, а также различных видов обрезки кроны следует использовать биотехнологии, прежде всего биологически активные вещества, биопестициды, бактериальные, грибковые, вирусные препараты, биогербициды, биологические удобрения [16].

Конструирование искусственных экологических систем нужно начинать на этапе проектирования дороги, так как строительство неизбежно приводит к изменению ландшафтных комплексов, разрушению мест обитания животных и перемещению живых организмов за пределы их естественного ареала. Часто косвенные воздействия (также известные как вторичные, третичные и цепные воздействия), связанные со строительством дороги, могут иметь более сильное влияние на окружающую среду, чем прямые.