ДНІПРОПЕТРОВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

Чемерис Інгріда Альгімантівна

УДК 504.73 (477.46) (043)

Формування ЕКОЛОГІЧНОГО стану ЛІСОВИХ біогеоценозів

в зоні впливу хімічних підприємств м. Черкаси

03.00.16 – екологія

автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата біологічних наук

Дніпропетровськ – 2007

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі екології Рівненського національного університету водного господарства та природокористування

Науковий керівник: доктор біологічних наук, професор

Гриб Йосип Васильович,

Національний університет водного господарства та

природокористування (м. Рівне), провідний науковий

співробітник Інституту гідробіології НАН України (м. Київ)

Офіційні опоненти: доктор біологічних наук, професор

Зверковський Василь Миколайович,

Дніпропетровський національний університет,

професор кафедри геоботаніки, ґрунтознавства та екології

кандидат біологічних наук, доцент

Хлизіна Наталія Володимирівна,

Академія митної служби України (м. Дніпропетровськ),

доцент кафедри товарознавства та митної експертизи

Захист відбудеться “10” жовтня 2007 р. о 14:00 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 08.051.04 для захисту дисертацій на здобуття наукового ступеня доктора біологічних наук у Дніпропетровському національному університеті Міністерства освіти і науки України за адресою: 49050, м. Дніпропетровськ, вул. Наукова, 13, університет, корп. 17, біолого-екологічний факультет, ауд. 611.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Дніпропетровського національного університету (49050, м. Дніпропетровськ, вул. Казакова, 8).

Автореферат розіслано “ 5 ” вересня 2007 р.

Учений секретар

спеціалізованої вченої ради

кандидат біологічних наук, доцент А.О. Дубина

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Серед лісових біогеоценозів різного складу за деревостаном в зоні впливу хімічних підприємств Черкаської промислової агломерації (далі ЧПА) за площею переважають борові екосистеми, які є найбільш чутливими до атмосферного забруднення. Серед хвойних одним із видів із найнижчою стійкістю до аерополютантів є сосна звичайна (Pinus sylvestris L.) (Меннінг, Федер, 1985; Трешоу, 1988; Крючков, Макарова, 1989; Корженевський, 1992; Ярмишко, 1994).

Лісовими боровими біогеоценозами, які знаходяться під впливом Черкаської промислової агломерації є Черкаський бір і молодий, штучно створений на Притясминських пісках, Притясминський (інша назва – Чигиринський бір), основною деревною породою яких є сосна звичайна.

Дослідження лісових борових екосистем Черкаського регіону із застосуванням фітоіндикаційних методів були розпочаті у 1994 – 1996 рр. (Випирайло, 1995; Лавров, 1996). З огляду на недостатність комплексних даних про стан лісових екосистем Черкаського та Притясминського борів в умовах дії аеротоксикантів, видається доцільність своєчасного системного аналізу стану суміжних із Черкаською промисловою агломерацією хвойних лісів, які виконують санітарно-гігієнічні, ґрунтозахисні, водоохоронні, водорегулюючі та рекреаційні функції.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дослідження виконувалося в рамках Програми моніторингу довкілля Черкаської області, затвердженої Черкаською обласною радою 20.01.06, № 26-16/ІV відповідно до п. 16 ч. 1 ст. 43 Закону України “Про місцеве самоврядування в Україні”, Постанови Кабінету Міністрів України від 30 березня 1998 р. № 391 “про затвердження Положення про державну систему моніторингу довкілля”, також у рамках науково-дослідної роботи 2003 – 2005 рр. за держбюджетною темою № 147-03 “Створення регіонального реєстру забруднюючих викидів та їх переносу”, код ЧДТУ 05390336, і науково-дослідної роботи 2006 – 2009 рр. за держбюджетною темою № 157-06 “Екологічний моніторинг здоров’я дитячого населення м. Черкаси за напрямком “Оцінка канцерогенного та неканцерогенного ризиків дитячого населення м. Черкаси від забруднюючих хімічних речовин, які викидаються в атмосферне повітря”, код ЧДТУ 2201040.

Мета і завдання наукових досліджень. Мета полягає у дослідженні біологічних механізмів впливу техногенних аерополютантів на соснові деревостани та аналізі їх сучасного екологічного стану в зоні впливу хімічних підприємств Черкаської промислової агломерації.

Для досягнення мети необхідно вирішити такі завдання:

1. Проаналізувати вплив природних факторів у районі дослідження на формування соснових деревостанів (ґрунтів, кліматичних умов, несприятливих погодних умов).

2. Дати кількісно-якісну оцінку надходження атмосферних забруднювачів в досліджувані лісові екосистеми за складом атмосферних опадів та розрахувати приземні концентрації.

3. Дослідити санітарний стан лісів Черкаського та Притясминського борів.

4. Вивчити реакції фотосинтетичного апарату на техногенні забруднення з метою ранньої діагностики пошкодження рослин.

5. За допомогою фітоіндикаційних методів діагностувати хронічні ушкодження фітостроми на основі:

а) візуальної оцінки деревостанів з оцінкою розподілу фітомаси та врахування хлорозів та некрозів хвоїнок крони соснових деревостанів (Pinus sylvestris L.);

б) вивчення морфолого-анатомічних показників хвої сосни звичайної;

в) визначення реакції на аерополютанти чоловічого гаметофіту, кислотності кірки дерев сосни звичайної.

6. Опрацювати методику використання ряски малої (Lemna minor L.) як тест-індикатора підкислення поверхневих вод.

7. Проаналізувати закономірності формування зеленої зони міст в умовах впливу промислових викидів у повітряний басейн та можливостей реабілітації порушених деревостанів сосни звичайної.

Об’єкт дослідження – соснові деревостани Черкаського та Притясминського борів.

Предмет дослідження – біологічні особливості змін лісових борових біогеоценозів на прикладі сосни звичайної під впливом абіотичних факторів (забруднення повітряного середовища кислотними та лужними аерозольними викидами); розробка методології та використання результатів дослідження для екологічної індексації прилеглих до локальних джерел забруднення територій лісових масивів.

Методи дослідження – фізико-хімічні для дослідження ґрунтів, визначення складу рідких та твердих атмосферних опадів, вмісту фотосинтетичних пігментів та фотохімічної активності хлоропластів, кислотності кірки дерев сосни звичайної; морфометричні методи дослідження морфологічної структури дерев сосни звичайної; цитогістологічні методи дослідження анатомічних властивостей хвої та пилку; методи геоботанічного опису та закладання модельних майданчиків; методи лісової таксації при визначенні параметрів модельних дерев; аналітико-синтетичні методи при аналізі наукової літератури, санітарного стану Черкаського та Притясминського борів, метеорологічних умов районів дослідження; комплексна екологічна оцінка стану лісів зеленої зони з використанням методів фітоіндикації. Наукова новизна одержаних результатів. Вдосконалено методику фітоіндикаційних досліджень стану фітобіоти в умовах закислення атмосферного повітря і ґрунтів, прилеглих до житлово-промислового комплексу. Досліджено сучасний стан екологічно уразливих лісових екосистем, які знаходяться в зоні впливу хімічних підприємств, що є основою для розробки стратегії їхньої експлуатації та збереження біорізноманіття. Визначено зворотний зв’язок між вмістом кислотоформуючих компонентів в атмосферних опадах та вмістом фотосинтезуючих пігментів і прямопропорційний зв’язок зі зміною величини рН. Встановлено, що у досліджуваних деревостанах правобережного Лісостепу в зоні підвищеного рівня аеротехногенного забруднення розвиваються адаптивні механізми виживання за рахунок посилення фотосинтетичної діяльності та морфолого-анатомічних змін фітостроми. Вперше визначено фазові реакції гідробіонтів (за ряскою малою) на величини та рівні підкислення поверхневих вод (від формування адаптивних механізмів захисту до розвитку некрозів). Розроблено класифікаційну таблицю та схему фітоіндикації стану лісових борових біогеоценозів під впливом дії комплексу аерополютантів.

Практичне значення одержаних результатів. Отримані результати поглиблюють та доповнюють існуючі дослідження визначення сучасного стану лісових біогеоценозів в умовах дії комплексу аерополютантів (екологічне картографування, розробка стратегії прийняття комплексних заходів щодо оптимізації стану).

Вдосконалено систему моніторингу стану Черкаського та Притясминського борів у зоні впливу хімічних підприємств, визначено характерні особливості реакції дерев сосни звичайної на комплексне забруднення, запропоновано прийняття компенсаційних заходів: вапнування ґрунтів, зволоження і внесення біогенних домішок за рахунок зрошення очищеними стічними водами.

Визначено закономірності формування зеленої зони міст в умовах хронічного закислення атмосферного повітря при супутньому впливі Кременчуцького водосховища.

Розроблена корисна модель “Спосіб комплексної фітоіндикації стану закислення поверхневих вод за допомогою тест-об’єкта ряски малої (Lemna minor L.)” дозволяє отримати інформацію про зміну концентрації іонів водню, сульфат- та нітрат-іонів у природних поверхневих водах з використанням широко розповсюдженого тест-індикатора ряски малої та оцінити біологічні наслідки закислення поверхневих вод прилеглих територій.

Матеріали дослідження використовуються в навчальному процесі в курсах спеціальних дисциплін та при підготовці курсових, кваліфікаційних бакалаврських та дипломних робіт зі спеціальності “Екологія та охорона навколишнього середовища” будівельного факультету Черкаського державного технологічного університету та обласним управлінням лісового господарства для моніторингу стану лісових масивів, прилеглих до хімічних підприємств.

Особистий внесок здобувача. Автором дисертаційної роботи проведено аналіз наукових літературних джерел; обрано дослідні майданчики; здійснено відбір

зразків ґрунту, твердих та рідких атмосферних опадів, рослин; виконано польові експерименти, лабораторні дослідження; проведено статистичну обробку результатів та їх основний аналіз; самостійно виконано та оформлено роботу; підготовлено публікації за результатами дослідження, а також представлено на наукових конференціях. Отримано патент на корисну модель.

Апробація результатів дисертаційної роботи. Результати досліджень було оприлюднено на Міжнародній конференції “Інноваційні інтеграційні технології для сталого розвитку” (Черкаси, 2004), Першій міжнародній конференції молодих вчених “Сучасні проблеми екології” (Запоріжжя, 2005), науково-практичній конференції “І Всеукраїнський з‘їзд екологів” (Вінниця, 2006), Х Міжнародній конференції “Інтеграційна стратегія державних інституцій в соціоекологічній інформованості суспільства: теоретичний та практичний аспекти” (Черкаси, 2006), 3-й Міжнародній науково-технічній конференції “Наука, освіта, виробництво у

рішенні екологічних проблем” (Екологія 2006) (Уфа, Башкортостан), ІІІ Обласній молодіжній науково-практичній конференції “Здобутки молодих науковців на вирішення екологічних проблем Черкащини” (Черкаси, 2007), Міжнародній конференції “Сучасні проблеми біології, екології та хімії”, присвяченої двадцятиріччю біологічного факультету ЗНУ (Запоріжжя, 2007), а також на наукових семінарах кафедри загальної екології та природокористування Черкаського державного технологічного університету протягом 2002 – 2006 рр.

Публікації. За матеріалами дисертаційної роботи автором та за його участю опубліковано та подано до публікації 13 наукових праць, із них 4 статті, 3 з яких – у фахових наукових виданнях, 7 – у матеріалах і тезах конференцій, 1 деклараційний патент на корисну модель, 1 методичний посібник.

структура та обсяг дисертації. Дисертація складається із вступу, семи розділів, практичних рекомендацій, висновків, списку використаних джерел (253 публікації, у тому числі 16 іноземних) та додатків. Робота викладена на 182 сторінках машинописного тексту, ілюстративний матеріал представлено 69 таблицями, з яких 33 у додатках, 80 рисунками, з яких 29 – фотографій обєктів. Додатки викладені на 62 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

Вплив аеротехногенних полютантів на стан

лісових екосистем

У розділі проаналізовано проблему збереження лісового біорізноманіття в умовах гострого та хронічного впливу аеротоксикантів. Розглянуто вплив сполук сірки та азоту як компонентів промислових викидів в атмосферу на фітострому, а саме узагальнено інформацію про дію атмосферних забруднювачів на організмовому рівні, структурні та функціональні зміни у клітинах та тканинах рослин (Ніколаєвський, 1979; Сміт, 1988; Трешоу, 1988; Ставрова, 1990). Розкрито токсичну дію сірко- та азотовмісних аерополютантів на фотосинтетичну функцію рослин, фізіологічні механізми газостійкості та газопоглинальної функції рослин (Ількун, 1978; Ніколаєвський, 1979; Биоиндикация.., 1988; Коршиков, 1996). Відмічено, що чутливим індикатором на стресові впливи є репродуктивна діяльність

організмів. Ряд авторів (Шкарлет, 1974; Менінг, 1985; Benoit et al., 1983; Keller, Beda, 1984; Сміт, 1988; Ставрова, 1990; Третьякова, 1990, 2004; Тихонова, 2005) відмічають зміни, які розвиваються в чоловічих та жіночих гаметофітів під впливом аеротехногенного навантаження, зокрема, дії такого фітотоксиканту, як оксид сірки (IV). Систематизовано інформацію щодо проблеми діагностики стану лісових екосистем методами фітоіндикації, в тому числі й електрофізіологічними методами.

Характеристика району ТА об’єктів дослідження

Охарактеризовано фізико-географічні умови, кліматичні умови району дослідження та наведено лісорослинну характеристику Черкаського та Притясминського борів. Показано, що щорічно повторюються небезпечні для рослин метеоумови, а також фактори, які зумовлюють накопичення аеротехногенних забруднювачів у лісових масивах Черкаського та Притясминського борів.

Дослідження проводилися на шести модельних майданчиках (далі ММ), три з яких розташовані на території Черкаського бору (ММ1 – ММ3), три – Притясминського (ММ4 – ММ5). Найближчі до ЧПА ММ4 (8 км) та ММ2 (16 км), а ММ5 та ММ6 розташовані на відстані від ЧПА 30 та 44 км відповідно. Останній модельний майданчик був контрольним.

Результати аналізу хімічного складу ґрунтів показали, що ґрунти найбільш наближених до ЧПА ММ2 та ММ4 відрізняються найвищим вмістом сульфат-іонів (7,25 та 9,20 мг/кг відповідно), а на інших модельних майданчиках вміст сульфат-іонів складає 4,0 – 6,4 мг/кг. Ґрунти ММ1, ММ3, розташовані на території Черкаського бору, мають мінімальну кількість обмінного кальцію (1,00 – 1,25 мг-екв./100 г) проти 2,25 мг-екв./100 г на ММ6.

Визначення стану деревостанів із використанням середньозваженого класу Крафта (Іс) показало, що деревостани Притясминського бору (ММ5, ММ6) і найбільш віддалених ділянок Черкаського бору (ММ1) характеризуються як послаблені (Іс 2,18 – 2,49), а деревостани на інших майданчиках Черкаського бору та найбільш наближеному до ЧПА (ММ4) майданчику Притясминського бору є сильно послабленими (Іс 2,78 – 3,00).

МАТЕРІАЛИ та методи досліджень

Модельні майданчики закладалися із загальноприйнятою в лісовій таксації методикою (ОСТ 56 – 69 – 83) у деревостанах сосни звичайної, які є однорідними за своїми таксаційними показниками та типовими умовами місця зростання (Анучін, 1982). Як об’єкти дослідження використовували соснові деревостани, розташовані на обраних модельних майданчиках. При описі модельних майданчиків використовувалася методика Б.М. Міркіна (Міркін, 2001).

Для визначення таксаційних показників соснових насаджень використовували матеріали безперевного лісовпорядкування земель лісового фонду Чигиринського та Черкаського держлісгоспів Черкаської області. На модельних майданчиках згідно з Санітарними правилами в лісах України (Санітарні..,1995) та доповненнями для сосни, розробленими лабораторією УкрНДІЛГА “Методичні рекомендації по діагностиці та зонуванню пошкодження лісів України аеротехногенним забрудненням (2002)” визначили стан деревостанів із використанням індексу стану. Для визначення стану деревостанів використовували середньозважений клас Крафта (Іс), який визначається як сума добутків кількості дерев кожної категорії на індекс категорії, поділену на загальну кількість дерев. Здоровими вважаються деревостани, де Іс 1,00 – 1,50; послабленими – 1,51 – 2,50; сильно послабленими – 2,51 – 3,50; всихаючими – 3,51 – 4,50; мертвими – 4,51 – 6,00 (Випирайло, 1994; Кузнєцова, 1996).

На кожному модельному майданчику за методикою В.А. Вагіна (Лесная.., 1978) визначали показники модельного дерева.

Для опису ґрунтів використовували ґрунтово-лісотипологічні нариси Чигиринського та Черкаського держлісгоспів Черкаської області (Ґрунтово-лісотипологічний.., 2000; Ґрунтово-лісотипологічний.., 2004). Відбір ґрунтів здійснювали згідно з ГОСТ 17.4.301-83 (СТ СЭВ 3847 – 82), ДСТУ 4287:2004. Аналіз хімічного складу ґрунтів виконувався згідно з ГОСТ 264283-85 – ГОСТ 26428 – 85, 26483-85 – 26490 – 85, ДСТУ 4289:2004.

Як тест-індикатор для визначення закислення поверхневих вод використовували ряску малу, яка є чітко вираженим монітором стану поверхневих вод і відповідає всім вимогам, які висуваються до рослин-моніторів (Афанасьєв, 2001).

Методи дослідження забруднення атмосферного повітря, морфолого-фізіологічних та цитологічних діагностичних ознак пошкоджень дерев сосни звичайної. Розрахунок концентрацій сполук сірки та азоту в атмосферному повітрі досліджуваних територій виконували згідно з вимогами ОНД-86. Відбір дощових та снігових опадів на модельних майданчиках та аналіз хімічного складу атмосферних опадів проводили згідно з РД 52.04.186 – 89.

Для аналізу основних морфологічних діагностичних пошкоджень дерев сосни звичайної виділяли пагони верхньої, середньої та нижньої частини крони, які, у свою чергу, розділяли по роках життя. Довжину пагонів вимірювали сантиметровою лінійкою, а масу визначали з точністю до 0,01 г з використанням електронних вагів “Scout - Pro”.

Охвоєність пагонів (кількість хвоїнок на 1 см пагону) визначали як відношення кількості хвоїнок на пагоні до довжини пагону. Для вивчення мінливості охвоєності визначали коефіцієнт дефоліації як відношення кількості хвоїнок на 1 см пагонів другого року життя до кількості хвоїнок на 1 см однорічного пагону (Лукіна, Ніконов, 1991).

Для вивчення анатомо-морфологічних показників хвої сосни звичайної відбирали хвою з верхньої, середньої та нижньої частин дерева, яку розподіляли за роками життя, виділяли по 20 хвоїнок і визначали довжину та ширину хвоїнок за допомогою міліметрової лінійки. Анатомію вивчали на серединному перерізі хвоїнок: визначали кількість смоляних каналів; товщину хвоїнки, ширину та товщину центрального провідного каналу. Площу перерізу та поверхню хвоїнки визначали за Г.Т. Криницьким (Криницький, 1993). Для оцінки ступеня пошкодженості хвої сосни використовували модифіковану шкалу некрозів за Р. Шубертом (Биоиндикация.., 1988). Класи хлорозу виділяли такі: І – хвоїнки мають невелику кількість дрібних плям; ІІ – у хвоїнок багато чорних, жовтих плям, іноді на всю ширину хвоїнки. Класи некрозу: І – початок усихання кінчика хвоїнки; ІІ – кінчик хвоїнки всох на 3 – 6 мм; ІІІ – всохла 1/3 хвоїнки; IV –уся хвоїнка жовта на наполовину суха; V – всохла вся хвоїнка.

Для визначення кількості безкрохмальних пилкових зерен використовували йодний метод (Паушева, 1988; Морозова, 2005). Вивчення проростання пилку та подовження пилкової трубки виконували шляхом висівання пилку на живильне середовище, наступного підрахунку пророслих пилкових зерен та вимірювання пилкової трубки (Руденко, Костишин, Морозова, 2003).

Аналіз кислотності кірки сосни звичайної провели за 10 зразками з кожного модельного майданчика. Кірка (1,0 – 1,5 мм товщиною) відбиралася на висоті 1,3 м рівномірно по колу стовбура. Зразки в повітряно-сухому стані подрібнювали та екстрагували дистильованою водою протягом 2 годин при періодичному струшуванні. рН вимірювали іонометром універсальним ЭВ – 74 у нефільтрованих екстрактах (Меннінг, Федер, 1985; Крючкова, 2006).

Вміст хлорофілів та каротиноїдів визначали в ацетоновому екстракті спектрофотометричним методом. Для розрахунку використовували формули Хольм-Веттштейна (Мусієнко, Паршикова, Славний, 2001). Активність реакції Хілла визначали в суспензії хлоропластів за швидкістю відновлення акцептора електронів з використанням спектрофотометра СФ – 46 (Мусієнко, Паршикова, Славний, 2001).

Методика біоіндикації підкислення водного середовища з використанням тест-об’єкта ряски малої. Для вивчення реакції ряски малої на підкислення середовища було створено ряд моделей водних об’єктів із різною концентрацією сульфат- та нітрат-іонів і значеннями водневого показника (рН). Вплив нейтралізуючої дії гідроксиду кальцію вивчали шляхом додавання у розчин по еквівалентному співвідношенню рівняння нейтралізації, а талої води – у двократному розведенні. Контролем були рослини, які експоновані в ідентичних умовах на дистильованій воді. Параметри оцінювання: експозиція – 14 діб; коефіцієнт росту визначався як усереднений з трьох проб на 3, 5, 7, 10, 14 добу; рН визначався на 3, 5, 7, 10, 14 добу; морфологічні відхилення враховувалися на 3, 5, 7, 10, 14 добу за хлорозами, некрозами, зміною кольору та росту коренів (побуріння, почорніння, вкорочення, відпадання коренів).

Розрахунок середніх значень, коефіцієнтів варіації, похибки, коефіцієнта кореляції та достовірності досліду проводили за загальноприйнятими в біометрії та лісовій таксації методиками (Дворецький, 1971; Лакін, 1980; Горкавий, Ярова, 2004). Для статистичної обробки результатів використовували пакет прикладних програм “Microsoft Office Excel 2003”. Різницю між середніми визначали на рівні значущості 0,05.

СТАН АТМОСФЕРНОГО ПОВІТРЯ В РАЙОНІ ДОСЛІДЖЕННЯ

Основними джерелами забруднення атмосферного повітря м. Черкаси та прилеглих територій є ВАТ “Азот”, ВАТ “Черкаське хімволокно”, ДП “Черкаська ТЕЦ”, від яких надходить майже половина шкідливих викидів у повітряний басейн регіону і які входять до складу ЧПА.

найбільше перевищення ГДК мають діоксид азоту, аміак, формальдегід та сірковуглець (1,5; 3,0 – 4,0; 3,5 – 4,0; 2,5 – 3,0 одиниць ГДК відповідно).

Характеристика атмосферних опадів у зоні суміжних лісових екосистем Черкаської промислової агломерації. Порівняння вмісту хімічних елементів в атмосферних опадах (рис. 1) показує високу концентрацію сірки, амонійного та нітратного азоту в районі Черкаської промислової агломерації та мм4. рН снігових опадів на досліджуваній території звичайно становить 5,6 – 7,0, але у зимовий період 2006 р. на території Черкаського бору спостерігалось деяке закислення снігу (рН 5,0). Якщо у 2005 р. снігові опади в районі ЧПА були майже слабколужними (рН 7,0) у 2005 р., то у 2006 р. вони мали дещо слабкокислу реакцію (рН 6,6). Кислотність снігу в районі Притясминського бору практично не змінилася і залишалася в межах рН 5,3 – 5,7.

Рис. 1. Порівняльний вміст аерополютантів у снігових опадах (2005 – 2006 рр.), мг/дм3:

1 – 2 – вміст сірки; 3 – 4 – вміст амонійного азоту; 5 – 6 – вміст нітратного азоту

На акумуляцію домішок у районі Черкаського бору чинить вплив зниження рельєфу та Ірдинське болото.

ХАРАКТЕРИСТИКА якісних показників ФІТОСТРОМИ СОСНОВИХ ДЕРЕВОСТАНІВ У РАЙОНІ ДОСЛІДЖЕННЯ

Санітарний стан лісів Черкаського та Притясминського борів. У результаті хронічного впливу атмосферних полютантів дерева сосни звичайної послаблюються і стають нестійкими до впливу фітопатогенної міко- та бактеріофлори, а також вражаються шкідниками.

Найбільші площі суцільних і вибіркових санітарних рубок та загальний запас пошкодженої деревини припадають на близько розташовані до джерел забруднення лісництва, а саме – Дахнівське (ММ2) та Чорнявське (ММ4) (0,07 – 0,13 % від загальної площі лісництва відповідно, а загальний запас пошкодженої деревини у Дахнівському лісництві 4,00 – 12,00 м3, у Чорнявському 1,26 – 9,44 тис. м3), найменші – на територію Притясминських борів, а саме Трушівське та Чигиринське

лісництва (ММ5, ММ6), які розташовані на досить значній відстані від ЧПА (30,0 – 60,0 км) (площі суцільних та вибіркових санітарних рубок становлять 0,001 – 0,005 % у Трушівському лісництві та 0,001 – 0,020 % у Чигиринському лісництві, а загальний запас пошкодженої деревини у Трушівському лісництві становить 0,07 – 0,90 тис. м3, у Чигиринському 0,3 – 1,3 тис. м3).

Особливості морфологічної структури дерев сосни звичайної в умовах аеротехногенного навантаження. Найменшу площу пошкодження (5 – 9 %) мають хвоїнки дерев Притясминського бору (ММ5, ММ6). У дерев Черкаського бору різко

зростає ушкодженість хвоїнок другого року життя (до 23 %). Серед досліджуваних дерев найбільшу площу пошкодження хвоїнок першого і хвоїнок другого років життя мали дерева майданчику ММ 4 (до 49 %), найближчого до ЧПА.

Тривалість життя хвоїнок дерев Черкаського бору і найближчої до ЧПА ділянки Притясминського бору (ММ4) становить 2 роки, в той час як у дерев Притясминського бору присутні хвоїнки 4-го, 5-го років життя. Це підтверджує висновки про більш високий рівень забруднення повітря в районі Черкаського бору та прилеглих до ЧПА територій Притясминського бору. Охвоєність дерев була вищою у Притясминському бору (ММ5, ММ6) (на пагонах 2-го року життя 17,23±0,86 шт. хвоїнок та 14,94±1,89 шт. відповідно), меншою – у Черкаському (від 4,46±0,47 шт. до 10,10±1,15 шт.). Збільшення охвоєності пагонів поточного року життя на ММ4 (16,58±1,28 шт.) пояснюється адаптацією до стресових умов, що підтверджує різке зниження охвоєності минулорічних пагонів (у 2,5 – 3 рази проти 1,1 – 1,6 на інших майданчиках).

Для вивчення мінливості охвоєності ми визначили коефіцієнт дефоліації. Найвища втрата хвої (табл. 1) спостерігалася в дерев ММ4, особливо в середній частині крони.

Таблиця 1

Значення коефіцієнта дефоліації пагонів сосни звичайної

Частина крони | Контрольні майданчики

ММ1 | ММ 2 | ММ 3 | ММ 4 | ММ 5 | ММ 6

верхня | 0,38 | 0,73 | 0,41 | 0,39 | 0,49 | 1,11

середня | 0,79 | 1,03 | 0,80 | 0,31 | 0,88 | 0,62

нижня | 0,69 | 0,81 | 0,45 | * | 0,59 | 0,78

П р и м і т к а . * хвоїнки відсутні.

На всіх модельних майданчиках, крім ММ2 та ММ4, довжина пагонів середньої частини крони у 4 – 5 разів більше, ніж довжина пагонів верхньої частини крони, в дерев ММ2 довжина пагонів верхньої та середньої частин крони майже однакова (2720,32 ± 61,06 см та 2558,23 ± 55,45 см відповідно), а в дерев ММ4 довжина пагонів верхньої частини крони у 1,2 рази більше, ніж середньої (4449,57 ± 69,53 см та 4000,38 ± 56,14 см відповідно). Відношення за масою пагонів між верхньою, середньою та нижньою частинами крони на всіх модельних майданчиках, окрім ММ2 та ММ4, становить 1:2:1 (на ММ2 – 2:1:2, а на ММ4 – 11:7:2). Таке порушення розподілу фітомаси за висотою дерева є однією з діагностичних ознак атмосферного забруднення і характерне саме на ММ2 та ММ4 – територіально найближчих до джерел забруднення.

Найбільший приріст за масою мали дерева контрольного майданчика ММ6, розташованого на території Притясминського бору (рис. 2). Незначне перевищення

маси цьогорічного приросту дерев у районі ЧПА (ММ4) в порівнянні з деревами Черкаського бору пояснюється надходженням у ґрунт та повітря антропогенного азоту, джерелом якого є викиди підприємств ЧПА.

вегетаційний період

Рис. 2. Динаміка зміни маси пагонів першого року життя дерев сосни звичайної протягом вегетаційного періоду

Таким чином, більше аеротехногенне навантаження відчувають лісові екосистеми Черкаського бору та прилеглі до ЧПА ліси Притясминського бору, про що свідчить: значна площі пошкодження рослин хлорозом (особливо хвоїнок другого та третього років життя); на найближчих до ЧПА модельних майданчиках (ММ2 та ММ4) спостерігається характерне порушення розподілу фітомаси по висоті дерева, коли пагони на верхівці дерева мають більшу фітомасу, ніж у середній частині; відсутність хвої третього та більше років життя в дерев Черкаського бору, у

той час як в дерев Притясминського бору присутня хвоя третього, четвертого та п’ятого років; різке зменшення охвоєності пагонів другого року життя поряд з достатньо високою охвоєністю пагонів першого року на найближчому до ЧПА майданчику (ММ4).

Анатомо-морфологічні показники хвої сосни звичайної досліджуваного регіону. довжина хвоїнок модельних дерев 1 – 3 років життя (рис. 3) зменшується від верхньої частини крони до нижньої (закон Заленського) (Правдін, 1964; Ярмишко, 1994). Однак у дерев ММ2 та ММ3 спостерігається порушення: довжина хвоїнок першого та другого років життя на верхній та середній частині крони майже однакова. А на деревах ММ4 довжина хвоїнок як першого, так і другого років життя максимальна на середній частині крони.

Окрім збільшення довжини хвоїнок у середній частині крони, помітне і збільшення їхньої товщини у дерев ММ1, ММ2 та ММ4 (до 0,94 ± 0,02 см на ММ1 проти 0,70 ± 0,02 см на ММ 6).

Рис. 3. Довжина (l) хвоїнок модельних дерев:

ММ1 – ММ6 – модельні майданчики; в, с, н на рис. 4, 5, 6– верхня, середня, нижня частина крони відповідно; 1 рік, 2 рік, 3 рік – рік життя хвоїнок

Найбільша кількість смоляних каналів (рис. 4) у верхній та середній частинах крони припадає на дерева з ММ4, а у верхній частині крони – і в дерев ММ2. В оптимальних умовах найбільша кількість смоляних каналів у хвоїнок із середньої частини крони, а мінімальна – на нижній частині крони. А на деревах з ММ2 – ММ4 порушений розподіл каналів по частинах крони: кількість смоляних каналів зменшується з верхньої частини крони до нижньої.

Рис.4. Кількість смоляних каналів на переріз хвоїнок модельних дерев

Аналіз анатомо-морфологічних характеристик хвої сосни звичайної показав, що на дослідних майданчиках, розташованих у районі Черкаського бору (ММ1 – ММ3) та ММ4 спостерігаються такі ознаки дії стресорів: порушення закону Заленського щодо лінійного розподілу хвої на кроні дерева; збільшення товщини та ширини хвоїнок верхньої частини крони; збільшення площі перерізу хвоїнок першого року життя на верхній (ММ1 – ММ3) та середній (ММ4) частинах крони; збільшення кількості паренхімних смоляних каналів у верхній та середній частинах крони, порушення розподілу їхньої кількості у хвоїнках, які розташовані в різних частинах крони (коли максимальна кількість каналів припадає на хвоїнки верхньої частини крони, в той час як в оптимальних умовах максимальна кількість смоляних каналів – у хвоїнок середньої частини крони); найбільша ширина та товщина хвоїнок першого року життя дерев з ММ3, найбільша товщина хвоїнок середньої частини дерев з ММ2 та ширина – дерев з ММ4.

Реакція чоловічого гаметофіту сосни звичайної на аеротоксиканти. Реакція чоловічого гаметофіту вищих рослин на оксид сірки (IV) виражається в збільшенні стерильності пилкових зерен, що веде до пониженого проростання і зменшення росту пилкової трубки (Шкарлет, 1974; Ставрова, 1990; Случік, 2000; Тіхонова, 2005).

Встановлено, що кількість безкрохмальних пилкових зерен вища у дерев Черкаського бору (17 %), ніж Притясминського (14 %).

Найменша кількість пророслих пилкових зерен (63 %) спостерігалася на території ММ4 (найближчого до ЧПА). У дерев Черкаського та Притясминського бора цей показник був у межах 70 – 79 %. Найбільша кількість пилкових зерен із невеликою довжиною пилкової трубки (2 – 80 мкм) припадає на дерева Черкаського бору. Частка пилкових зерен серед пророслих із довжиною пилкових трубок 110-170 мкм у дерев Черкаського бору становила 1,68 – 2,44 %, а Притясминського 3,35 – 4,88 %.

Дослідження реакції чоловічого гаметофіту сосни звичайної на забруднення показало, що репродуктивний процес у дерев Черкаського бору є більш пригніченим, на що вказує більша частка безкрохмальних пилкових зерен і менша частка пилкових зерен із довжиною пилкової трубки 80 мкм та більше.

Кислотність кірки сосни звичайної як реакція на забруднення атмосферного повітря. У 2005 р. кислотність кірки дерев з ММ1 – ММ3, які розташовані у Черкаському борі, була майже однаковою. Найнижча кислотність у кірки дерев з ММ4 (4,395±0,047), який найближчий до ЧПА. Це пояснюється наявністю у викидах ЧПА аміаку, розчин якого має лужну реакцію. Найвищі рівні кислотності кірки, наближені до фонових значень (рН 3,4 – 3,8) (Barkman, 1950), спостерігалися в районах ММ5 та ММ6. У 2006 р. підвищилася кислотність кірки дерев з ММ2 та ММ4 (до 3,900±0,087 та 3,720±0,128 відповідно) (в останніх суттєва різниця в кислотності в порівнянні з кіркою дерев ММ6 на рівні значущості 0,05). Ці майданчики розташовані найближче до м. Черкаси, і в 2006 р. Черкаська ТЕЦ перейшла на вугільне паливо, через що збільшилися викиди оксиду сірки (ІV).

Реакція фотосинтетичного апарату на забруднення атмосферного повітря

Ряска мала (Lemna minor L.) як фітоіндикатор закислення поверхневих вод. Як тест-індикатор ми використали ряску малу і дослідили характер реакції фотосинтетичного апарату (концентрації хлорофілів, каротиноїдів, фотохімічну активність хлоропластів) та морфологічні відхилення на зміну умов середовища при моделюванні значень водневого показника поверхневих вод в умовах аеротехногенних викидів у повітряний басейн. Для аналізу морфологічних відхилень використали шкалу екологічної класифікації якості поверхневих вод за рівнем токсичності для ряски малої (Відновна.., 1999; ) та характер реакції кореневої системи. Запропонували шкалу фітоіндикації підкислення поверхневих вод (табл. 2)

з використанням ряски малої, яка показує зв’язок фазових реакцій ряски малої та екологічного стану поверхневих вод.

Біоцидна дія сульфатів та нітратів при підвищеному вмісті у воді посилюється при їх сумісній наявності у водоймах, що, як правило, спостерігається в природних умовах. Гідроксид кальцію чинить протекторну дію у більшому ступені, ніж тала вода. Ця дія виявляється при тільки невеликій концентрації SO42- (0,04 – 0,10 г/дм3) і NO3- (0,05 – 0,15 г/дм3).

Таблиця 2

Фітоіндикація стану поверхневих вод з використанням тест-індикатора ряски малої

Клас фазових реакцій | Фази реакцій

пошкодження коренів |

діагностичні ознаки

0 | 0 | Рослина компенсує біоцидну дію сульфатів та нітратів за рахунок фізіологічного обміну. Кислотність водойми оптимальна, концентрація сульфат- та нітрат іонів менше, ніж 0,05 г/дм3

1 | 1 | Спостерігається побуріння кінчика кореня, розрихлення клітинної оболонки, виходу міжклітинної речовини та захоплення подразника рН = 6,0 – 6,5; [SO42-] до 0,10 г/дм3; [NO3-] до 0,15 г/дм3

2 | Включення SO42- та NO3- в клітину та фізіологічний обмін рН = 6,0 – 6,5; [SO42-] до 0,10 г/дм3; [NO3-] до 0,15 г/дм3

3 | 2 | Початок хлорозу, зміна форми, розмірів рослини, почорніння коренів. рН = 5,0 – 6,0 ; [SO42- ] до 0,15 г/дм3; [NO3-] до 0,41 г/дм3

4 | 3 | Розвиток хлорозу, формування дочірніх особин, вкорочення коренів. Початок некротичних змін. рН < 5,0; [SO42- ] > 0,15 г/дм3; [NO3-] > 0,40 г/дм3

5 | 4 | Рослини некротовані, корені відсутні. рН < 4,0; [SO42- ] > 0,20 г/дм3; [NO3-] > 0,50 г/дм3

Характеристика фотосинтетичної функції сосни звичайної досліджуваного регіону. Аналіз концентрації фотосинтетичних пігментів (рис. 5) показав, що у хвої сосни звичайної в районі Черкаського бору спостерігається більший вміст фотосинтетичних пігментів, що розглядається як адаптивна специфічна реакція на стрес, викликаного хронічною дією невисоких концентрацій комплексу атмосферних забруднювачів.

Рис. 5. Концентрація (А пігм) фотосинтетичних пігментів у хвої другого року життя дерев сосни звичайної

Про аеротехногенне навантаження в районі Черкаського бору свідчать також зменшення співвідношення хлорофілу а до хлорофілу b і збільшення вмісту каротиноїдів відносно хлорофілів (табл. 3).

Таблиця 3

Відносні показники фотосинтетичних пігментів у хвої другого року життя

дерев сосни звичайної

Співвідношення концентрацій пігментів | ММ1 | ММ2ММ3ММ4ММ5ММ6

2,80 | 1,67 | 2,90 | 2,70 | 2,97 | 2,92

4,93 | 5,87 | 4,47 | 4,52 | 4,23 | 4,00

Для визначення кореляційного зв’язку між вмістом кислотоформуючих атмосферних забруднювачів та концентрацією хлорофілу a як основного фотосинтезуючого пігменту і прогнозування очікуваних рівнів результативної ознаки при встановлених значеннях факторних ознак нами розраховане рівняння регресії, яке показує, наскільки зменшується концентрація пігменту при збільшенні концентрацій сульфат- та нітрат-іонів в атмосферних опадах: у1 = 2,02 – 0,20х;

у2 =1,09 – 0,11х, де у1 – концентрація сульфатів у атмосферних опадах (мг/дм3); у2 – концентрація нітратів у атмосферних опадах (мг/дм3); х – концентрація хлорофілу а (мг/г).

Фотохімічна активність хлоропластів хвої другого року дерев сосни звичайної Черкаського бору в середньому 3 рази менше в порівнянні з деревами Притясминського бору, що свідчить про пригнічення фотосинтетичної функції рослин Черкаського бору.

Проведене дослідження особливостей реакції фітобіоти на комплекс аерополютантів дозволило виділити зони впливу підприємств ЧПА на лісові борові біогеоценози (рис. 6), що, у свою чергу, дало змогу рекомендувати ряд заходів щодо стабілізації екологічної ситуації.

Рис. 6. Зони впливу аерополютантів ЧПА на суходільні біогеоценози досліджуваної території за фітоіндикаційними ознаками сосни звичайної :

І – зона максимального впливу аерополютантів на фітострому (10 км від ЧПА);

ІІ – ІІІ – зони адаптивних пристосувань фітостроми (10 – 20 км, 20 – 30 км відповідно від ЧПА);

IV – зона мінімальної реакції фітостроми (30 – 45 км від ЧПА);

зона реакції ряски малої на закислення поверхневих вод:

ІІ (заштриховано) – відсутні зміни кореневої системи; І (заштриховано) – порушення кореневої системи (зміна кольору, вкорочення), хлорози

УЗАГАЛЬНЕННЯ ЗАКОНОМІРНОСТЕЙ ФОРМУВАННЯ ЗЕЛЕНОЇ ЗОНИ МІСТ В УМОВАХ ВПЛИВУ ПРОМИСЛОВИХ ВИКИДІВ У ПОВІТРЯНИЙ БАСЕЙН.

Рекомендації щодо збільшення стійкості лісових екосистем до аерополютантів в умовах хронічного впливу ЗАБРУДНЕННЯ АТМОСФЕРИ

для оцінки рівня антропотехногенного втручання в екосистеми визначено комплексний екологічний індекс стану поверхні водозбору (Ке = 0,63, що свідчить про задовільний стан прилягаючої до міста поверхні водозбору з тенденцією до погіршення цього стану за рахунок зростання дії антропогенних факторів (розораності та урбанізованості) та гідроекологічну валентність (Г.Е.В) басейну (Відновна.., 1999). Фактична гідроекологічна валентність у 1,61 рази більша за оптимальну, тобто формування якості поверхневого стоку відбувається при меншій участі фітомаси.

Також нами розрахована модель функціонування буферної зеленої зони м. Черкаси за оптимальних умов. Оптимальна біомаса фітостроми для Черкаського регіону становить 56,4 т/га, а фактично на 1 га області припадає 35,00 т/га, тобто фактична біомаса в області менше за оптимальну у 1,61 рази.

Отримані дані (фактична та оптимальна фітомаса на поверхні водозбору і фактична та оптимальна гідроекологічна валентність) характеризують підвищений рівень антропогенного навантаження на екосистеми досліджуваного регіону.

Рекомендації виробництву. На основі проведених досліджень рекомендується взяти за основу запропоноване нами зонування інтенсивності впливу аерополютантів Черкаської промислової агломерації на суходільні біогеоценози і відповідно до цього створювати насадження з урахуванням їх стійкості, життєвості та позитивних реакційних ознак з метою вдосконалення зеленої зони м. Черкаси.

ВИСНОВКИ

1. Абіотичні фактори середовища зумовлюють накопичення забруднювачів у лісових масивах, що прилягають до Дніпровської заплави і посилюють токсичну дію аерополютантів на фітострому. Такими факторами є заглиблення рельєфу, заболочення території, вплив Кременчуцького водосховища, склад ґрунтів, формування несприятливих метеорологічних умов (вологості повітря менше 80 % протягом кількох днів, штильової погоди, туманів, температурних інверсій, напрямку вітрів у бік лісових масивів, посушливого режиму погоди, поєднання цих факторів, а також зимових температурних екстремумів, пізньовесняних та ранньоосінніх приморозків як факторів, що сприяють пошкодженню рослин).

2. Встановлено, що найвищий рівень атмосферного забруднення спостерігається на території Черкаської промислової агломерації та прилеглій до неї частині Притясминського бору, де є перевищення концентрацій всіх досліджуваних компонентів. Порівняно з Притясминським бором спостерігається достатньо високий рівень забруднення на території Черкаського бору: перевищення тимчасових нормативів ГДК забруднюючих речовин у повітрі для деревної рослинності спостерігається для аміаку в наближених до ЧПА районах Черкаського та Притясминського бору (1,03 – 1,90 разів) та для сірковуглецю (на території Черкаського бору у 2,4 – 3,2 рази, біля Черкаської промислової агломерації у 5,5 разів, на території Притясминського бору у 1,2 – 1,8 разів).

3. Доведено, що найпослабленішими є соснові деревостани прилеглих до Черкаської промислової агломерації територій, де площі суцільних та вибіркових санітарних рубок в 6 – 70 разів більше, а загальний запас пошкодженої деревини більше у 4 – 9 разів порівняно з контрольною територією (найбільш віддаленій від ЧПА (44 км)