Аеротехногенна трансформація соснових екосистем середньої течії басейну р. Сіверський Донець

Размещено на http://www.allbest.ru/

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Аеротехногенне пошкодження лісів, внаслідок якого відбувається зниження їх стійкості та продуктивності, є дуже актуальною проблемою для України, яка з одного боку є лісодефіцитною державою, а з іншого - має потужний промисловий потенціал. Не дивлячись на важливість цієї проблеми, комплексні дослідження, спрямовані на розробку діагностичних показників забруднення окремих структурних компонентів лісових екосистем в Україні не проводились. Це й обумовило необхідність вивчення аеротехногенної трансформації соснових екосистем, що знаходяться в зоні впливу емісій Зміївської ТЕС та цементного комбінату - “Балцему” (найбільших промислових об'єктів Харківщини).

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дослідження виконувалися в лабораторії екології ландшафтів та агролісомеліорації Українського науково-дослідного інституту лісового господарства та агролісомеліорації ім. Г.М. Висоцького в рамках держбюджетних тем: № 11 “Розробити методику діагностики та провести комплексне зонування пошкодження лісів України техногенним забрудненням як основи для ведення лісового господарства” (1996-1998 рр., № державної реєстрації 0196U100526); № 4 “Дослідити антропогенну трансформацію лісів зелених зон України і розробити заходи щодо поліпшення їх стану та посилення екологічних функцій” (1999-2001 рр., № державної реєстрації 0196U011521).

Мета і завдання досліджень. Мета роботи - вивчити вплив емісій ТЕС і цементного виробництва на соснові екосистеми середньої течії басейну р. Сіверський Донець та запропонувати:

систему діагностичних показників аеротехногенного забруднення структурних компонентів соснових екосистем;

рекомендації щодо ведення лісового господарства в умовах промислового забруднення.

Завдання досліджень:

за даними хімічного аналізу атмосферних опадів (снігу) визначити ступінь техногенного навантаження на соснові ліси;

дослідити екологічну роль лісових підстилок в умовах аеротехногенного забруднення;

виявити зміни лісорослинних властивостей ґрунтів (дернові опідзолені на давньоалювіальному піску) при їх забрудненні продуктами аеротехногенезу;

дослідити стан та радіальний приріст соснових насаджень, що формуються під впливом повітряного забруднення;

розробити якісно-кількісну систему діагностичних показників забруднення атмосферних опадів, лісових підстилок, ґрунтів емісіями ТЕС і цементного виробництва та запропонувати рекомендації щодо ведення лісового господарства в соснових лісах в умовах аеротехногенного забруднення.

Об'єкт дослідження - трансформація соснових екосистем середньої течії басейну р. Сіверський Донець в умовах аеротехногенного забруднення.

Предмет дослідження - вплив емісій ЗТЕС та “Балцему” на зміни стану структурних компонентів соснових екосистем.

Методи дослідження. Дослідження аеротехногенного впливу на ліси базувались на принципах порiвняльної екологiї та проводились шляхом оцінки стану лісових екосистем в умовах техногенезу і на контролі. Динаміка стану компонентів соснових екосистем вивчалась за загальноприйнятими в лісовій таксації, ґрунтознавстві, агрохімії методами. Обробка отриманого матеріалу виконувалась методами математичної статистики.

Наукова новизна одержаних результатів.

Досліджено порушення природного стану та функціонування окремих складових соснових екосистем у зоні емісій цементного виробництва.

Визначено характер та швидкість відновлення кислотно-лужного балансу ґрунтів соснових лісів в умовах різкого зменшення рівня емісій цементного виробництва.

Розроблено зонування лісових ґрунтів Балаклiйського держлiсгоспу за ступенем забруднення цементним пилом, як основа для вдосконалення лісогосподарських заходів у зоні аеротехногенного забруднення.

На прикладі сіркоакумулюючої здатності лісових підстилок показано їх екологічну роль в умовах промислових викидів.

Запропоновано якісно-кількісну систему діагностичних показників забруднення (емісіями ТЕС та цементного виробництва) атмосферних опадів, лісових підстилок, ґрунтів соснових насаджень в умовах свіжого субору.

Практичне значення одержаних результатів. Окремі положення дисертаційної роботи можуть слугувати методико-теоретичною базою у розробці екологічного прогнозування стійкості лісів в умовах аеротехногенного забруднення. Встановлені закономірності акумуляції та міграції основних біофільних елементів дозволяють визначити ступінь порушення ємності та інтенсивності кругообігу речовин у соснових екосистемах під впливом промислових емісій. Запропоновано якісно-кількісну систему діагностичних показників забруднення (емісіями ТЕС та цементного виробництва) атмосферних опадів, лісових підстилок, ґрунтів, що може бути використана при проведенні екологічного моніторингу, та рекомендації щодо ведення лісового господарства в соснових лісах в умовах аеротехногенного забруднення. Результати досліджень увійшли до “Методичних рекомендацій щодо діагностики та зонування пошкодження лісів України аеротехногенним забрудненням” (затверджені вченою радою УкрНДІЛГА, протокол №8 від 13 жовтня 2000 р.) .

Особистий внесок здобувача полягає в складанні програми й методики, зборі та обробці польових матеріалів, проведенні аналітичних досліджень, їх аналізі, обґрунтуванні теоретичних положень дисертаційної роботи та розробці діагностичних показників аеротехногенного забруднення структурних компонентів соснових екосистем; формулюванні висновків та практичних рекомендацій.

Апробація результатів дисертації. Основні положення дисертаційної роботи обговорювались на Всеукраїнській конференції “Проблеми фундаментальної екології” (Кривий Ріг, 1997); І Міжнародній науково-практичній конференції “Экология и молодежь” (Гомель, 1998); на конференції молодих вчених, присвяченій V з'їзду УТҐГА (Харків, 1998); на V з'їзді Українського товариства ґрунтознавців та агрохіміків, (Рівне, 1998); Міжнародній конференції молодих вчених “Лес. Наука. Молодежь”, (Гомель, 1999), на конференції, присвяченій річниці пам'яті О.М. Гринченка (Харків, 1999). У закінченому вигляді дисертаційну роботу розглянуто на розширеному засіданні лабораторії екології ландшафтів та агролісомеліорації УкрНДІЛГА.

Публікації. За темою дисертаційної роботи опубліковано 9 робіт, з яких 5 - статті в фахових виданнях і 4 публікації у матеріалах і тезах конференцій.

Структура та обсяг дисертації. Дисертація складається зі вступу, 7 розділів, списку використаних джерел та додатків. Робота викладена на 169 сторінках комп'ютерного тексту та включає 45 рисунків, 32 таблиці, 4 додатки. Список літературних посилань містить 230 найменувань.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

Аеротехногенне забруднення та негативні зміни стану лісових екосистем (літературний огляд)

екосистема басейн сіверський донець

Проаналізовано та узагальнено матеріали з проблеми аеротехногенного забруднення лісів. Відзначено, що в сучасний період промислові емісії можна розглядати як постійно діючий екологічний фактор, що негативно впливає на стан лісових насаджень, особливо хвойних (Ількун, 1978; Дончева, 1978; Кулагин, 1982; Ворон, 1983; Мазепа, 1986; Николаевский, 1989; Гришина 1990; Армолайтис та ін., 1995; Ярмишко, 1997). Незважаючи на значну кількість наукових робіт з цієї проблеми, досліджень комплексного характеру небагато, тобто переважно розглядаються зміни лише окремих компонентів лісових екосистем (як правило деревостанів) без застосування системного підходу до визначення ступеня порушення структурно-функціональної організації лісових екосистем. Саме комплексний підхід забезпечує високу інформативність відносно достовірного стану лісів і прогнозу його змін на майбутнє, що підкреслює актуальність проведених досліджень.

Природні умови району досліджень

Наведено характеристику району досліджень (межа лісостепової та степової зон): описані кліматичні умови, ґрунти, рослинність, гідрографічна сітка та геоморфологічна будова долини р. Сіверський Донець. Відзначено, що в умовах промислових емісій такі метеорологічні характеристики приземного шару повітря, як часті штилі (16%) та слабкі вітри (66-84%), стійка стратифікація атмосфери, інверсії - сприяють утворенню небезпечного рівня забруднення. Восени частими є тумани, краплі якого являють собою ядра конденсації забруднюючих речовин та спричиняють пошкодження лісових насаджень.

Доведено, що ймовірність швидкого розсіювання промислових емісій в районі досліджень відносно невелика. Це робить його зоною підвищеної екологічної небезпеки для поширених тут соснових лісів.

Методика та об'єкти досліджень

Вивчення впливу промислових емісій на середньовікові (55-70 років) чисті сосняки в умовах свіжого субору (В₂) середньої течії басейну р. Сіверський Донець проводилось в рамках багаторічних досліджень лабораторії екології УкрНДІЛГА. Середній діаметр деревостанів коливається в межах 17,2-29,3 см, середня висота - 17,4-25,9 м, повнота - 0,63-0,95, запас - 252-501 м³/га.

Постійні пробні площі закладались за загальноприйнятими в таксації методиками (Анучин, 1982) на різній відстані від промислових об'єктів: від “Балцему” - 0,8; 1; 1,5; 2,2; 8,2; 20,6 км (контроль); від ЗТЕС - 4; 6,5; 8; 10,5; 13; 14,5; 28 км (контроль), з урахуванням напрямків переважаючих вітрів.

Для визначення техногенного навантаження на ліси та виділення зон різного ступеня забруднення застосовували хімічний аналіз снігового покриву (Израэль и др., 1987). У зразках снігу визначали: рН; K⁺, Na⁺, Ca²⁺, Mg²⁺, NН₄⁺, SО₄^2-, НСО₃^-, СО₃^2-, Cl^-, вміст пилу та сухий залишок (Кульский и др., 1976); Fe, Сu, Mn, Zn, Cd, Ni методом емісійної спектроскопії (Зырин, Обухов, 1977).

У кожному виділеному підгоризонті лісової підстилки (Карпачевский, 1982), в зразках деревини та кори сосни звичайної за загальноприйнятими методиками аналізу рослинного матеріалу (Радов и др., 1985) визначали: зольність, рН (потенціометрично); загальний вміст калію на полум'яному фотометрі, кальцію (трилонометрично). Підстилку додатково аналізували на обмінну S (Мочалова, 1975); загальні форми С (за Тюріним), N та Р (мокре спалювання в одній наважці) з подальшим визначенням N - за Кієльдалем, P - спектрофотометрично, а також Na, Mg, Са, Аl, Si, Fe, Ni, Pb, Co, Mn, Zn, V, Cu, Cr, Sr, Ti, Zr методом емісійної спектроскопії (Зырин, Обухов, 1977).

Визначення запасів підстилки, величини опаду та швидкості його розкладу проводилось за методикою Н.І. Базілевич, Л.Є. Родіна (1965).

При оцінці впливу повітряного забруднення на лісові ґрунти використовувались методичні підходи Л.О. Гришиної та ін. (1991) щодо організації і проведення ґрунтових досліджень для екологічного моніторингу. Опис ґрунтових профілів і відбір зразків проводились за традиційними в ґрунтознавстві методиками (“Полевой определитель почв”, 1981). В зразках ґрунту визначали: рН (водний та сольовий); водорозчинні НСО₃^-, СО₃^2-, Cl^- (титруванням), NН₄⁺, SО₄^2- (спектрофотометрично); водорозчинні та обмінні K⁺, Na⁺ на полум'яному фотометрі, Ca²⁺, Mg²⁺ (трилонометрично), Н⁺ за Соколовим, SО₄^2- за методикою ЦІНАО; гiдролiтичну кислотнiсть за Капеном; суму увібраних основ за Капеном-Гільковицем; азот, що легко гідролізується за Шконде-Корольовою; рухомі Р₂О₅, К₂О за Чириковим; загальні форми N, Р, К (мокре спалювання в одній наважці) та - Na, Mg, Са, Аl, Si, Fe, Ni, Pb, Co, Mn, Zn, V, Cu, Cr, Sr, Ti, Zr (Зырин, Обухов, 1977); гумус за Тюріним; груповий i фракцiйний склад гумусу (модифікація Пономарьової, Плотнікової); максимальну гiгроскопiчнiсть (ваговий метод); гранулометричний склад за Качинським; дiйсну об'ємну вагу скелету ґрунту за Міховичем; целюлозолiтичну активнiсть (Сэги, 1983).

Лісівничо-таксаційні характеристики вивчали за загальноприйнятими методиками (Анучин, 1982), радіальний приріст - за Н.В. Ловеліусом (1979).

Стан соснових насаджень визначався згідно з “Рекомендациями по повышению устойчивости зеленых насаждений…” (1987).

Обробка отриманих результатів виконувалась методами математичної статистики (Лакин, 1980; Доспехов 1985).

Загалом проведено 2600 хімічних визначень у 72 зразках снігу, 107 - ґрунту, 50 - лісової підстилки, 44 - деревини. Для визначення радіального приросту з 150 дерев відібрано 600 кернів та проведено 48000 вимірів.

Аеротехногенне забруднення соснових екосистем (за даними хімічного аналізу снігового покриву)

У складі емісій ЗТЕС основними фітотоксикантами є SО₂, NО_x, важкі метали (ВМ), “Балцему” - сильнолужний (pH>11) пил, що містить сполуки Ca, K, Na, Mg, Al, Fe, N, С, S та ВМ.

За хімічним аналізом снігового покриву визначено, що відстань від 4 до 6,5 км від ЗТЕС є техногенною зоною з максимальним рівнем забруднення. У опадах цієї зони, порівняно з контролем, збільшується вміст НСО₃^- та Са²⁺ - в 5 разів, SО₄^2-, К⁺ - вдвічі, Na⁺ - втричі, зростає величина рН (до 1 од.) (підкислюючий ефект SO₂ та NO_x нейтралізується техногенним попелом лужної реакції); ідентифікуються важкі метали (Cd²⁺, Cr³⁺, Ni²⁺).

Емісії “Балцему” забруднили двокілометрову зону від комбінату сполуками основних металів. У період максимального рівня викидів вміст Mg²⁺ в снігу збільшився в 11 разів, а Са²⁺, Na⁺ та К⁺ - в 30 разів відносно контролю. Техногенні катіони переважно зв'язані з НСО₃^-, SО₄^2- та в меншій мірі - з СО₃². Ці сполуки спричинили дуже високий рівень лужності опадів (рН сягає 12), що зменшується з віддаленням від джерела забруднення (рис. 1).

Рис.1 Кислотність (рН) снігового покриву у період максимальних обсягів емісій “Балцему”, 1988 р.

Таким чином, встановлено, що відстань до 2 км від “Балцему” є зоною сильного рівня забруднення, від 2 до 9 км - зоною середнього рівня забруднення, > 9 км - зоною незначного рівня забруднення. На поширення полютантів суттєво впливає вітровий режим місцевості, в результаті чого зона забруднення витягується в бік переважаючих вітрів.

Стіна лісу є своєрідним біологічним бар'єром, що перешкоджає розповсюдженню забруднених повітряних потоків (особливо пилової фракції) і скорочує зону забруднення, а найбільший техногенний тиск зазнає узлісся. Так, наприклад, вміст нерозчинного пилу у сніговому покриві на найближчому до комбінату узлiссі досягав 1800 мг/л, а в глибині масиву - зменшився у10 разів.

Значне скорочення обсягу викидів “Балцему” (внаслідок загального спаду виробництва з 1995 р.) обумовило зниження ступеня забруднення атмосферних опадів, хімічний склад яких у 2000 р. наблизився до фонового рівня.

Екологічна роль лісових підстилок в умовах аеротехногенного забруднення

Хімічний склад та кислотність лісових підстилок у промислових зонах змінюється в залежності від відстані до джерел забруднення та підгоризонту підстилки. Найбільшу акумулятивну здатність щодо забруднювачів має нижній підгоризонт підстилок у зв'язку зі значною адсорбційною здатністю його диспергованої маси та з вилуговуванням полютантів із верхніх підгоризонтів. Так, в техногенній зоні ЗТЕС в підгоризонті А₀³ сполук Co накопичується в 4 рази більше, ніж у А₀¹, Ni - 3,5; V -3,2; Sr -3; Cr - 2; Cu - 1,25; Pb - в 1,1 рази. Лісові підстилки цієї зони також відзначається підвищеним вмістом основних макроелементів (рис. 2), за винятком азоту, вміст якого зменшується до 40 %.

Рис. 2. Співвідношення вмісту макроелементів у А₀³ до А₀¹ в зоні емісій ЗТЕС.

В районі ЗТЕС навесні (після опалювального сезону) за рахунок інтенсивної акумуляції полютантів відбувається збільшення зольності підстилок (до 80 %), порівняно з осіннім періодом, на відміну від контролю, для якого характерна обернена залежність динаміки величини зольності протягом року.

В лісових підстилках під впливом емісій “Балцему” накопичуються сполуки важких (Sr, Cu, Cr) та основних металів (Ca, Mg, Na, K). Вміст останніх, порівняно з контролем, зріс від 50 до 300 %, що спричинило підлуговування підстилок майже на 70 % та збільшення їх зольності на 50 %.

Наслідком промислового забруднення соснових лісів є також акумуляція підстилками одного з основних фітотоксикантів - сполук сірки. Частка техногенної сірки (від її загального вмісту) у підстилках зони ЗТЕС досягає 33 %, “Балцему” - 56 %.

Таким чином, в підстилках накопичується значна кількість техногенних речовин, що стає однією з причин порушення основних параметрів природного біологічного кругообігу в лісових екосистемах.

Аеротехногенне забруднення лісових ґрунтів

Внаслідок аеротехногенного впливу найбільш істотних змін зазнали фізико-хімічні властивості гумусових горизонтів лісових ґрунтів.

Зонування ґрунтів (за рівнем рН) максимально наближеного до “Балцему” Високобірського лісництва Балаклiйського держлiсгоспу у 1988, 1994 та 1997 роках (табл. 1) дозволило побудувати картосхеми забруднення поверхневого шару лісових ґрунтів. Визначено, що реакція ґрунтового розчину значно варіює - від сильно лужної до слабо кислої та залежить від відстані до “Балцему” та обсягу його емісій. Більш ніж 30-річна седиментація техногенного пилу призвела до утворення поблизу комбінату зон із сильно лужною реакцією ґрунтового розчину (рН>8,0), що на 4-4,5 од. вище від контролю. Такі дуже високі для дернових опідзолених ґрунтів значення рН зберігаються протягом всього періоду спостережень (15 років).

Таблиця 1

Розподiл площі ґрунтів Високобiрського лiсництва за рівнем рН, га

Через чотири роки після значного скорочення обсягу емісій “Балцему” (1997р.) кислотно-лужний баланс ґрунтів поступово відновлюється. Менш мінералізовані атмосферні опади прискорили вилуговування забруднювачів. Процеси відновлення природного рівня кислотності характерні для ґрунтів, віддалених від комбінату на 2 та більше кілометри, на відміну від зони сильного рівня забруднення, де накопичені за попередні роки полютанти обумовлюють стійке підлуговування ґрунтів.

Істотних змін зазнали також катіонно-обмінні властивості лісових ґрунтів. У період максимального рівня забруднення найвищий вміст катіонів (Са²⁺ - 50 мг-екв/100 г ґрунту, Мg²⁺ - 5, К⁺ - 2,22) спостерігався на узліссі і поступово знижувався з віддаленням від джерела емісій та на контролі зменшився до 2,59 мг-екв/100 г ґрунту для Са²⁺, 0,51 - для Мg²⁺, 0,60 - для К⁺. Після різкого скорочення обсягів емісій “Балцему” вміст обмінних катіонів знизився як у ґрунтах техногенної зони (Са²⁺ - в 9 разів; К⁺ - в 15; Мg²⁺ , Nа⁺ - в 6), так і на контролі (Са²⁺ - в 4, Мg²⁺ - в 5 разів). Це свідчить про те, що в період максимального рівня емісій відходи цементного комбінату досягали контролю, тобто поширювалися в просторі на відстань більше ніж 20 км.

Інтенсивна седиментація полютантів обумовила абсолютне домінування у ВКҐ (вбирний комплекс ґрунту) часток лужно-земельних та лужних катіонів - до 98 % і зменшення до 2 % частки Н⁺, що докорінно змінило природну реакцію ґрунтового розчину, а це в свою чергу порушило мінеральне живлення соснових насаджень. Навіть при значному скороченні рівня емісій, склад ВКҐ залишається техногенно зміненим, а буферна здатність ґрунтів до підлуговування зменшується в 20 разів. Виявлена закономірність щодо збільшення (в 37 разів, порівняно з контролем) у ВКҐ техногенної зони величини співвідношення Са/Н дозволила його запропонувати як діагностичний показник при оцiнці впливу емісій цементних виробництв на генетично кислi ґрунти.

У гумусових горизонтах лісових ґрунтів техногенної зони “Балцему” внаслідок акумуляції полютантів і різкої зміни рівня кислотності відбувається уповільнення в 2-3 рази (відносно контролю) трансформації загального азоту в мінеральний та інгібування до 3,5 разів целюлозоруйнуючих мікроорганізмів, які відіграють важливу роль на першому етапі розкладу рослинного опаду.

Зміни властивостей лісових ґрунтів у зоні ЗТЕС, порівняно з зоною “Балцему”, менш виражені. Це пояснюється більшою (майже вдвічі) висотою труб ЗТЕС, перевагою в складі емісій електростанції газоподібних сполук (що визначає значне їх розповсюдження), а також різним ефектом впливу полютантів на ґрунти. В гумусових шарах ґрунтів техногенної зони ЗТЕС вдвічі, порівняно з контролем, зростає вміст SO₄^2-; в 2,5 рази - Са²⁺; до 3,5 разів зменшується активність розкладу клітковини, що пов'язано як з акумуляцією ВМ (сумарний показник забруднення ВМ тут найвищий - 54 ум. од.), так і зниженням вмісту різних форм азоту (до п'яти разів). Уповільнення інтенсивності мікробіологічних процесів у ґрунтах обумовлює деяке зменшення вмiсту гумусу на фоні стабільного його фракційного складу.

В результаті проведених досліджень щодо змін хімічного складу атмосферних опадів, лісових підстилок та ґрунтів розроблено систему діагностичних показників, яка може бути використана при проведенні екологічного моніторингу соснових лісів, забруднених емісіями ТЕС та цементних виробництв, за наступними етапами:

визначення рівня техногенного навантаження на ліси;

оцінка ступеня порушення хімічного складу лісових підстилок і ґрунтів;

визначення стану лісових екосистем та прогнозування його змін в умовах хронічного промислового забруднення, а також при різкому зменшенні обсягів емісій.

Рівень забруднення соснових лісів емісіями ТЕС та цементного виробництва можна оцінити за допомогою визначених діагностичних показників забруднення атмосферних опадів, лісових підстилок.

При організації екологічного моніторингу, а саме - ґрунтового моніторингу, доцільно обрати систему ґрунтових показників, що поділяється на показники ранньої, коротко - i довгострокової дiагностики та враховує основні характеристики ґрунтів і забруднюючих речовин (Гришина и др., 1991). На початковому етапі ґрунтового моніторингу бажано використати цю систему показників у максимальному обсязі для отримання детальної характеристики властивостей досліджуваних ґрунтів, надалі можна обмежитись контролем лише показників ранньої та короткострокової діагностики.

Моніторинг ґрунтів у зоні впливу емісій ТЕС та цементного виробництва передбачає обов'язковий контроль рівня рН; вмісту К⁺, Na⁺, Ca²⁺, Mg²⁺, SО₄^2-; вмісту важких металів (Co, Ni, Pb, Mn, Zn, V, Cr, Cu), рухомого азоту та мікробіологічної активності (табл. 3).

У разі неможливості проведення детального моніторингу ґрунтів в умовах їх забруднення цементним пилом, пропонується використати як індикатори величини рН і співвідношення вмісту Ca/Н. Для соснових насаджень визначення останніх показників є особливо актуальним, оскільки у мінеральному живленні сосни досить вагому роль грає ектотрофна мікориза, що не переносить значного підлуговування ґрунтового розчину.

Додатковим індикатором забруднення цементним пилом соснових лісів може слугувати скипання лісових підстилок від дії 10% НCl.

Вплив аеротехногенного забруднення на стан та радіальний приріст соснових деревостанів

В період 1988-2000 рр. у зонах максимального рівня забруднення обох підприємств спостерігалось погіршення стану сосняків, в той час як стан контрольних насаджень змінився несуттєво. Тобто, в умовах довготривалих промислових емісій в лісових екосистемах порушується система буферних механізмів, підтримуючих збереження гомеостазу.

Погіршення стану сосняків відобразив інтегральний показник - індекс стану деревостанів (Іс) (рис.3). Встановлено, що з віддаленням від джерел забруднення на 1 км, Іс зменшується приблизно на 0,05 од (r= -0,909, t_факт.=6,93, t₀₅=2,2, n=13).

Рис. 3. Індекс стану сосняків на різній віддалі від джерел забруднення, 1998 р.

Погіршення санітарного стану соснових насаджень в техногенних зонах обох виробництв відбувається в силу різних причин, серед яких - збільшення в асиміляційному апараті дерев обмінної сірки (r= 0,843; t_факт.=6,60, t₀₅ =2,09; n=20) та негативні зміни лісорослинних властивостей ґрунтів. До останніх в районі “Балцему” відноситься зміна реакції ґрунтового розчину (від кислої до сильно лужної). Внаслідок цього кореневі системи та мікориза соснових насаджень пригнічуються дією лужних солей. Це загалом позначилось на погіршенні стану деревостанів (r= 0,8549; t_факт.=5,95, t₀₅ =2,12; n=17). В районі ЗТЕС негативні зміни лісорослинних властивостей ґрунтів насамперед пов'язані із зменшенням вмісту різних форм азоту внаслідок інтенсивної акумуляції ВМ. Іншими причинами погіршення стану соснових насаджень також є: порушення ємності та інтенсивності біологічного кругообігу в лісовій екосистемі; несприятливі погодні умови, наприклад, досить часті посухи; поширення в техногенних зонах обох підприємств фітопатогенів, зокрема кореневої губки. Для поліпшення санітарного стану насаджень техногенної зони необхідні своєчасні вибіркові рубки з видаленням сухостійних та уражених шкідниками й хворобами дерев.

Погіршення стану соснових деревостанів поблизу “Балцему” призвело до зниження середньорічної величини їх радіального приросту на 8,5 %, порівняно з контролем. Встановлено, що лімітування радіального приросту лісових культур техногенної зони цементного виробництва в значній мірі обумовлено синергетичним ефектом промислових емісій та атмосферної посухи. З 1995 року починається деяке збільшення приросту. Це обумовлено різким зниженням обсягу емісій “Балцему”.

Підтвердженням негативного впливу промислового забруднення на стан сосняків є зміна “коефіцієнту антропогенності” - величини співвідношення вмісту К/Са в деревині сосни (Илькун, 1978). При збільшенні концентрації двовалентних катіонів у біологічних тканинах порушуються фізіологічні механізми, що визначають стійкість деревостанів у техногенному середовищі (Ильин, 1985). В зонах максимального рівня забруднення обох підприємств, порівняно з контролем, збільшення (до 30 %) зольності деревини сосни поряд із зменшенням (в середньому на 70 %) величини співвідношення вмісту К/Са в деревині, свідчить про негативні зміни у клітинному метаболізмі, які можуть спричинити ослаблення стану деревостанів та зниження їх радіального приросту.

ВИСНОВКИ ТА РЕКОМЕНДАЦІЇ ВИРОБНИЦТВУ

Досліджено аеротехногенну трансформацію соснових лісів середньої течії басейну р. Сіверський Донець. Запропоновано якісно-кількісну систему діагностичних показників промислового забруднення (емісіями ТЕС та цементного виробництва) атмосферних опадів, лісових підстилок, ґрунтів та рекомендації щодо ведення лісового господарства в соснових лісах (свіжий субір) в умовах аеротехногенезу. За результатами досліджень зроблені наступні висновки:

1. Довготривале забруднення довкілля емісіями ЗТЕС та “Балцему” спричинило трансформацію соснових екосистем середньої течії басейну р. Сіверський Донець.

2. Визначено рівень техногенного навантаження на соснові ліси (методом хімічного аналізу снігу) та підтверджено їх санітарно-гігієнічну функцію, що виявляється в осадженні деревостанами значної частини полютантів. Максимальний промисловий тиск зазнає узлісся лісових масивів. З віддаленням від джерел забруднення рівень полютантів зменшується.

3. Викиди промислових виробництв спричиняють забруднення атмосферних опадів. Емісії цементного комбінату інтенсивно підлуговують опади за рахунок значного збільшення вмісту в них Са²⁺, К⁺, Nа⁺, які переважно зв'язані з НСО₃^-, SO₄^2- і в меншій мірі - з СО₃². Емісії ЗТЕС призводять до збільшення в опадах вмісту SO₄^2-, HCO₃^-, Са²⁺, К⁺, Nа⁺ та важких металів (Cd, Cr, Ni). Скорочення обсягів викидів обох підприємств (з 1995 р.) сприяло зменшенню забруднення опадів, хімічний склад яких у 2000 р. наблизився до фонового рівня.

4. Під впливом аеротехногенного забруднення змінюється хімічний склад лісових підстилок, а їх нижні підгоризонти стають потужними акумуляторами полютантів. В підстилках сосняків, що зростають в зоні впливу “Балцему” накопичуються Ca, Na, Mg, K, S та важкі метали (Sr, Cu, Cr), а в зоні ЗТЕС - Al, Si, K, Ca, Fe, S, важкі метали (Co, Ni, Pb, V, Cr, Cu). Це відбивається на збільшенні зольності підстилок та порушенні природного кругообігу речовин в лісових екосистемах.

5. Погіршення санітарного стану насаджень та уповільнення активності деструкторів фітодетриту призводить до зменшення інтенсивності біологічного кругообігу в лісових екосистемах, що виявляється в накопиченні лісової підстилки, а також у зміні співвідношення маси її підгоризонтів.

6. Забруднення лісових підстилок вище критичного рівня їх ємності вбирання обумовлює міграцію техногенних речовин у ґрунти.

Зміни властивостей лісових ґрунтів у зоні ЗТЕС виявляються у зниженні різних форм кислотності та азоту, збільшенні вмісту водорозчинних SO₄^2-, Са²⁺, К⁺, а в зоні “Балцему” - у підвищенні вмісту обмінної S та значному порушенні природного складу ВКҐ (вміст Ca²⁺, Мg²⁺, К⁺, Nа⁺ досягає аномальних величин та обумовлює високу лужність ґрунтів). Ступінь підлуговування структурних складових лісових екосистем в районі впливу “Балцему” най-більша в атмосферних опадах, дещо менша в лісових підстилках та ще менша в ґрунтах. У ґрунтах техногенних зон обох виробництв зростає вміст важких металів (Co, Cu, Pb, Zn, Cd, Ni), що відбивається на пригніченні активності целюлозоруйнуючих мікроорганізмів та уповільненні мінералізації азоту.

7. З наближенням до джерел забруднення погіршується санітарний стан соснових насаджень, що обумовлено комплексом причин, серед яких - негативні зміни лісорослинних властивостей ґрунтів, акумуляція техногенної сірки в хвої та підстилках, порушення ємності та інтенсивності біологічного кругообігу в лісових екосистемах, поширення фітопатогенів, а також часта повторюваність посушливих погодних умов.

8. Встановлено синергетичний ефект негативного впливу промислових емісій та атмосферної посухи на стан та радіальний приріст соснових деревостанів у зоні цементного виробництва.

9. Збільшення зольності деревини сосни та зменшення величини співвідношення вмісту К/Са в деревині можуть застосовуватися як індикатори зниження стійкості деревостанів у техногенному середовищі.

10. У техногенній зоні ЗТЕС не доцільно використовувати вторинні ресурси лісу (зокрема ягоди) у зв'язку з перевищенням в них ГДК вмісту ВМ (Zn, Cd, Cr).

11. У соснових лісах, що зростають у свіжих суборах під впливом аеротехногенного забруднення доцільно формувати різновікові, змішані деревостани з щільним узліссям із стійких до емісій листяних порід (акація біла, бузина чорна, береза повисла). Першочергових лісогосподарських заходів потребують найбільш пошкоджені деревостани, що знаходяться на відстані до 2 км від “Балцему” та від 4 до 6,5 км від ЗТЕС. В цих насадженнях є дуже важливим проведення своєчасних санітарних вибіркових рубок. В ослаблених молодих насадженнях доцільно проводити слабкі, селективні рубки догляду засобами, що забезпечують мінімальне пошкодження ґрунту, підросту, а також дерев, що лишаються в основному наметі. Для покращення мінерального живлення ослаблених промисловими емісіями соснових насаджень, а також у зв'язку із низькою забезпеченістю дернових опідзолених ґрунтів поживними елементами необхідно вносити азотно-фосфорні мінеральні добрива за існуючими в лісовому господарстві нормами. На свіжих зрубах, забруднених відходами цементного виробництва, перед створенням лісових культур для зниження лужності ґрунтів, бажано проводити їх підкислювання шляхом внесення торфу.

ЛИТЕРАТУРА:

1. Распопина С.П. Влияние эмиссий тепловой электростанции на сосновые насаждения среднего течения Северского Донца // Матер. Международной научно-практической конференции “Экология и молодежь”.Т.1, Ч.1. - Гомель, 1998. - С. 130-131.

2. Распопіна С.П. Бондарук М.А. Вплив аеральних емісій Зміївської ДРЕС на деякі фізико-хімічні властивості ґрунтів в соснових насадженнях // Агрохімія і ґрунтознавство /Спец. вип. до У з'їзду УТГА.- 6-10 липня 1998 р., м. Рівне/. - Харків, 1998.- С. 101-102. (Збирання, обробка та аналіз матеріалу, написання).

3. Распопіна С.П. Аналіз гумусного стану та вміст основних поживних елементів лісових ґрунтів в зоні впливу Зміївської ДРЕС // Агрохімия и грунтознавство - Ч.4-Харків: УААН, 1998. - С.198-202.

4. Ворон В.П., Бондарук М.А., Распопіна С.П. Вплив емiсiй Змiївської ДРЕС на компоненти лісової екосистеми // Лісівництво і агролісомеліорація. - Харків: РВП “Оригінал”, 1999. - Вип. 94. - С. 48-52. (Збирання, обробка та аналіз матеріалу, написання).

5. Распопина С.П. Изменение физико-химических свойств и микробиологической активности лесных почв, находящихся в зоне влияния эмиссий цементного производства // Тр. Междунар. конф. молодых ученых “Лес. Наука. Молодежь”. - Гомель: Ин-т леса АН Беларуси., 1999. - Т.2. - С. 95-97.

6. Распопіна С.П. Вплив емісій цементного комбінату та теплової електростанції на стан лісових ґрунтів //Вісник ХДАУ. - Харків: ХДАУ., 1999.- №1. - С. 240-243.

7. Ворон В.П., Распопіна С.П. Кислотно-основні властивості ґрунтів в умовах забруднення довкілля викидами цементного виробництва // Вісник ХДАУ. - Харків: ХДАУ, 1999.- №2.- С. 302-308. (Збирання, обробка та аналіз матеріалу, написання).

8. С.П. Распопіна. Екологічна роль лісової підстилки сосняків в умовах техногенного забруднення атмосфери // Лісівництво і агролісомеліорація. - Харків: РВП “Оригінал”, 2001. - Вип. 99. - С. 48-52.

9. В.П. Ворон, С.П. Распопіна. Зміна лісорослинних властивостей ґрунтів в умовах забруднення цементним пилом // Тез.доп. YI з'їзду ґрунтознавців України. Умань.-2002. С. 35-36. (Збирання, обробка та аналіз матеріалу, написання).

Размещено на Allbest.ru