Методические разработки проведения практических занятий
по направлению подготовки 35.04.01 – Лесное дело
направленность (профиль): Лесные культуры, селекция, семеноводство
с элементами УИРС по дисциплине
«Урбоэкология»
Уровень подготовки – магистр
Занятие № 5 ( Редакция 15.03.2020 г. )
Тема лабораторного занятия: «Анализ эффективности методов определения пылезадерживающей способности деревьев и кустарников»
Ключевые слова: урбоэкология, урбанизация, урбоэкосистема, экология, город, городская среда, условия комфортности городской среды, пыль, пылезадерживающая способность, определение запыленности.
Методические параметры лабораторного занятия
Бюджет рабочего времени – 2 часа.
Количество двухчасовых занятий – 1.
Распределение бюджета рабочего времени:
- 1 час на освоение теоретических основ и принципов определения пылезадерживающей способности деревьев и кустарников в объектах урбоэкосистем;
- 1 час на практическую оценку эффективности методов определения пылезадерживающей способности деревьев и кустарников в объектах урбоэкосистем.
Дидактический материал, необходимый для проведения данной лабораторной работы, приведен в приложениях к данной работе (Приложения 5.1 – 5.3) файлах Microsoft Word.
Вводная часть
Воздушный бассейн городов, особенно вблизи земной поверхности, постоянно насыщается большим или меньшим количеством неорганических и органических газов, паров и твёрдых частиц. Они образуются при распаде органических веществ, прижизненном выделении организмами геологических и геохимических процессах в литосфере, минерализация органических веществ, например, сопровождается поступлением в атмосферу кроме углекислоты значительного количества аммиака, метана, сероводорода и других газов.
Заметную примесь к атмосферному воздуху составляют твёрдые частицы. Они имеют земное и космическое происхождение. Ежесуточно на земную поверхность выпадает до 10 тыс. тонн твёрдых частиц космического происхождения размерами от долей до десятков микрон. Космическая пыль насыщает преимущественно верхние слои стратосферы [16]. Она образуется из остатков сгоревших метеоритов при их прохождении в атмосфере [6].
Атмосферная пыль- это постоянная составная часть земной атмосферы, представляющая собой мельчайшие твердые взвешенные в воздухе частицы с радиусом 10-4—10-3 см и ядра конденсации со средним радиусом 5>10-6 см. Атмосферная пыль имеет, в том числе, и природное происхождение, однако количество ее крайне незначительно, несмотря на обилие источников, из которых она образуется. Твёрдые частицы земного происхождения поступают в атмосферу при извержении вулканов, пылевых бурях, поднимающих с земной поверхности частицы почв и горных пород, при лесных и степных пожарах. Воздушные потоки переносят кристаллы солей из Мирового океана, пыльцу и споры растений. Поступающие в атмосферный воздух минеральные и органические частицы создают повышенную запылённость. Во время извержения вулкана, "чёрной бури", пожара образуются громадные пылевые облака, которые нередко распространяются на тысячи километров. Штормовой ветер поднимает в атмосферу капельки морской воды, насыщенной солями хлоридов и сульфатов. Они осаждаются над водной поверхностью и на суше [4]. Одним из наиболее контрастных примеров может служить распространение пылеватых частиц ветром с осушенной поверхности, ранее покрытой водой, в зоне экологического бедствия в района расположения Аральского моря.
Одним из основных источников загрязнения атмосферного воздуха являются промышленные выбросы. Они в зависимости от видов топлива (твердого, жидкого, газообразного) и способов их сжигания различны по химическому составу.
ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ НА ВЫПОЛНЕНИЕ РАБОТЫ
Задание 5.1. Опишите известные вам источники пыли в городах и дайте классификацию пыли по источникам её происхождения.
Задание 5.2. Опишите известные вам способы и методы определения запыленности воздушного бассейна городов и методы определения пылезадерживающей способности деревьев и кустарников. Запишите эти примеры в рабочем файле по данной теме. Составьте перечень методов и дайте им классификационную характеристику. Ранжируйте перечень по эффективности применения рассматриваемых методов.
ОРГАНИЗАЦИОННЫЙ ЭЛЕМЕНТ ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ
Работа выполняется в двух организационных формах:
1. Индивидуальная работа обучающихся.
2. Работа обучающихся в команде.
На этапе индивидуальной работы обучающихся каждый из них самостоятельно осуществляет сбор информации об имеющихся методах определения пылезадерживающей способности деревьев и кустарников: методах непосредственного учета и косвенных методах определения; инструментальных методах, лабораторных методах и методах визуального учета с помощью органолептических средств.
На этапе работы обучающихся в команде (в составе группы или подгруппы, или в составе организованных преподавателем рабочих бригад) обучающиеся избирают из своего числа руководителя группы – лидера команды, который организует их дальнейшую работу.
ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ
5.1. Обучающиеся приводят и формулируют сведения об источниках пыли в городах и разрабатывают классификацию пыли по источникам её происхождения.
5.2.. Обучающиеся описывают известные им способы и методы определения запыленности воздушного бассейна городов и методы определения пылезадерживающей способности деревьев и кустарников. Для детализации приводимых примеров целесообразно использовать доступные обучающимся ресурсы сети Интернет и опубликованные на данный момент факты. На этом этапе осуществляется индивидуальная работа обучающихся.
Предложенные каждым обучающимся индивидуальные описания и классификации обсуждаются обучающимися в форме свободной дискуссии (работа обучающихся в команде). При этом выявляются их (описаний и классификаций) сильные и слабые стороны, даются предложения по детализации, повышению информативности и усовершенствованию каждого из предложенных описаний и классификаций.
На следующем этапе работы обучающихся в команде по результатам дискуссии в форме круглого стола составляется реестр источников пыли, находящейся в окружающей среде, а также выполняется классификация пыли по указанным источникам её происхождения. Текст реестра источников пыли, классификация пыли по источникам происхождения, перечень методов определения запыленности и методов определения пылезадерживающей способности деревьев и кустарников вносится в портфолио и записывается в индивидуальном файле на рабочем месте каждого из обучающихся.
Теоретическая платформа ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ
Атмосферная пыль — это мельчайшие частички различных солей, минералов, горных пород, угля, почвы и других различных смесей и химических соединений минерального и органического характера; это остатки растительных и животных организмов, поднимаемых в атмосферу ветром, вихрями и восходящими потоками воздуха.
Атмосферная пыль – это постоянная составная часть земной атмосферы, представляющая собой мельчайшие твердые взвешенные в воздухе частицы с радиусом от 10–4 см до 10–3 см, и ядра конденсации со средним радиусом от 5–6 см до10–6 см.
Атмосферная пыль имеет природное происхождение и количество ее крайне незначительно, несмотря на обилие источников, из которых она образуется. Твёрдые частицы земного происхождения поступают в атмосферу при извержении вулканов, пылевых бурях, поднимающих с земной поверхности частицы почв и горных пород, при лесных и степных пожарах. Воздушные потоки переносят кристаллы солей из Мирового океана, пыльцу и споры растений. Поступающие в атмосферный воздух минеральные и органические частицы создают повышенную запылённость. Во время извержения вулкана, "чёрной бури", пожара образуются громадные пылевые облака, которые нередко распространяются на тысячи километров. Штормовой ветер поднимает в атмосферу капельки морской воды, насыщенной солями хлоридов и сульфатов. Они осаждаются над водной поверхностью и на суше [4].
Незначительное количество пыли в воздухе вдали от населенных мест играет даже положительную роль: пылевые частицы участвуют в образовании дождевых капель. Атмосфера же городов и сел систематически загрязняется различными примесями, образующимися при сжигании топлива на предприятиях, в жилых и общественных зданиях, в двигателях автомобилей, а также отходами заводов химической, металлургической, энергетической, текстильной промышленности. В этом случае аэрозоли приобретают отрицательное значение. Современные сведения о запыленности воздуха огорчительны.
Воздух наиболее загрязнен в районах электростанций и химических предприятий. Отмечено, что вблизи тепловых электростанций в течении зимнего месяца на одном квадратном километре в среднем осаждается до 72 тонн твердого вещества. Загрязнение воздуха хлорными заводами распространяется в радиусе двух километров, а при ветре – еще дальше.
В США в районе Питсбурга на 1 квадратной миле (1 миля = 1.ю60935 км) оседает до 610 тонн пыли за год. При этом следует учитывать, что зачастую промышленная пыль содержит вредные вещества – различные соединения тяжелых металлов, медь, мышьяк, свинец и др., что усугубляет отрицательное действие такого загрязнения на окружающую среду.
Атмосферные пылевые частицы разделяют на пыль естественного и антропогенного происхождения. Последняя образуется в результате производственной деятельности человека. Влияние пыли на растения происходит как за счет физического, так и химического действия.
Негативное воздействие запыленности атмосферы может проявляться по нескольким направлениям: снижение светопроницаемости, увеличение содержания вредных соединений. Пыль, дым, газы снижают напряженность солнечной радиации и уменьшают количество ультрафиолетовых лучей, являющих собой наиболее ценную для человеческого организма часть солнечного спектра. В результате этих потерь создается ультрафиолетовая недостаточность, нередко приводящая к заболеванию детей рахитом и авитаминозом. Задымленность и запыленность городского воздуха способствуют образованию туманов и заметно ухудшают степень освещенности, что так же отрицательно сказывается на здоровье людей. Например, в городе Павловске, вблизи Ленинграда, где отсутствуют промышленные предприятия и много зеленых насаждений, в декабре освещенность составляет в среднем пять тысяч люксов, в то время как в Ленинграде она равняется всего двум тысячам люксов; в апреле в этих же городах освещенность соответственно бывает 30 и 10 тысяч люксов.
Способность растений очищать атмосферный воздух от пыли является одним из наиболее полезных для человека свойств. Пылезащитная роль зеленых насаждений подтверждается научными исследованиями. Так, установлено (В.Ф. Докучаева), что в Ленинграде, Харькове и Москве на территории парков и скверов запыленность воздуха в 2-3 раза меньше, чем на открытых пространствах. Если запыленность воздуха в Тимирязевской лесной даче принять за 100 %, то в парке имени Дзержинского (густой парк в пригороде, вдали от промышленности) она составит 149%, в парке имени Горького (разреженный парк в центре города, вблизи от промышленности) — 343, в Измайловском парке (густой парк в пригороде, вблизи от промышленных предприятий) — 400 процентов. Запыленность воздуха под деревьями в летние месяцы на 20—30 процентов меньше, чем на открытой площадке. Даже в зимние месяцы, когда деревья лишены листвы, они в какой-то мере сохраняют свое пылезащитное значение. Эти данные убедительно доказывают положительную роль зеленых насаждений в борьбе с пылью.
Деревья и кустарники обладают разными пылезащитными свойствами. Это необходимо учитывать при подборе ассортимента насаждений. Свойство растений задерживать пыль стоит в непосредственной связи с устройством листовых пластинок. На деревьях, имеющих клейкую поверхность листьев (береза), осаждается больше пыли, чем на гладких листьях клена ясенелистного и клена серебристого, осины, тополя канадского или бирючины. Хорошо задерживают пыль шероховатые листья вяза. На них оседает в 6 раз больше пыли, чем на тополе, в 3 раза больше, чем на сирени, и в 2 раза больше, чем на клене. Липа европейская тоже является хорошим уловителем пыли. Запыленность березы в 2,5 раза, а хвойных пород — в 30 раз больше запыленности осины. Высокой пылезадерживающей способностью обладает каштан конский обыкновенный и дуб черешчатый. Даже внутри родов есть различия – так тополь бальзамический задерживает больше пыли, чем тополь канадский.
Однако соотношение разных растений по количеству пыли, осевшей на единице площади, в разные периоды года является не постоянным. Изменение количества пыли на листьях в течении вегетационного периода определяется ее количеством в атмосферном воздухе, погодными условиями, состоянием листьев и другими факторами. Лист в течении вегетации не остается морфологически постоянным, с возрастом изменяется его плотность, опушенность, влажность, клейкость, увеличивается морщинистость, особенно в условиях загрязнения, чем и объясняется неодинаковая пылезадерживающая способность. Несмотря на различные колебания в запыленности листьев, наибольшее количество пыли на них наблюдается в конце вегетационного периода. В подтверждение этого можно привести фактический материал. В работе коллектива авторов под руководством член-корреспондента АН УССР Е.Н. Кондратюка, занимавшегося этим вопросом, приводятся сведения о изменении количества пыли, осевшей на поверхности листовой пластины, в течении вегетационного периода – данные приводятся в таблице 1.
Таблица 1 – Количество пыли, осевшей на 1м² поверхности листовой пластинки, мг.
| Виды деревьев и кустарников | Заводской парк | Контроль | ||||
| Май | Июль | Сентябрь | Май | Июль | Сентябрь | |
| Робиния лжеакация Дуб черешчатый Каштан конский обыкновенный Липа мелколистная Клен остролистный |
В качестве контроля в этом опыте был взят участок Мариупольской лесной опытной станции. Как следует из анализа материалов таблицы 1, количество пыли на листьях в условиях загрязнения в несколько раз больше по сравнению с контролем (пылезадерживающая способность зависит от условий загрязненности); наиболее высокая пылезадерживающая способность у каштана конского и дуба черешчатого (зависит от вида – биологических особенностей – растения); изменяется с течением времени; изменяется не одинаково; наибольшее количество пыли наблюдается в конце вегетационного периода. С санитарно-гигиенической точки зрения большое значение имеет количество осажденной из воздуха пыли как за счет задержания ее листовой поверхностью, так и за счет оседания пыли на землю в результате изменения в насаждениях древесных и кустарниковых пород скоростей и направления движения воздуха.
Имеются сведения (Илькун, Аникина, 1971), согласно которым средневозрастное дерево тополя черного (имеющего листовую поверхность общей площадью около 50 м²) способно осаждать за вегетационный период 44 кг пыли; тополя белого – 53 кг; ивы белой – 34 кг; клена ясенелистного – 30 кг. Наблюдения показали, что на металлургических заводах количество пыли, задерживаемой растениями, достигает 18тон на 1га насаждений; в среднем за вегетационный период зеленые насаждения могут осадить на 1га до 40 – 60 тон пыли.
Запыленность воздуха при прочих равных условиях зависит от размеров зеленых насаждений и густоты посадок. В воздухе большого парка с густыми насаждениями пыли меньше, чем над разреженными посадками. Ориентировочные подсчеты показали, что посадки молодых тополей с плотностью 400 деревьев на 1 га только за одно лето могут задерживать около 340 кг пыли, то есть, на каждый м² листьев в среднем приходится от 1,5 кг до 3 кг пыли.
Известно, что открытый грунт – дополнительный источник запыления воздуха. Для уменьшения запыленности целесообразно использовать почвопокровные растения, в том числе декоративные травы.
Зная пылезащитные свойства тех или иных видов деревьев и кустарников, при умелом их подборе и сочетании можно добиться набольшего пылезащитного эффекта. При этом не следует забывать о других важных мерах по уменьшению запыленности воздуха – максимальном улавливании пыли на промышленных предприятиях, благоустройстве дорог (мощение, своевременный полив и уборка) и др.
Некоторые авторы (Kelley, Bise. 1970г – по Кондратюку) считают, что выпадение пыли не должно превышать 58 кг на 1га в течении одного месяца, при более высоких дозах пыль отрицательно влияет на растительный мир и животных. В течении лета, пыль, оседающую на листьях деревьев и кустарников, рекомендуется периодически смывать. Несоблюдение этого правила может постепенно привести к ухудшению состояния и гибели древесных насаждений.
И так, приведенные материалы свидетельствуют, что в условиях антропогенного (в особенности промышленного) загрязнения окружающей среды зеленые насаждения задерживая и осаждая пыль, способствуют значительному оздоровлению окружающей среды.
Пылезадерживающая способность – это способность деревьев и кустарников удалять из воздуха пылевые частицы, оцениваемая в процентах по массе пыли от массы находящейся в воздухе пыли до её оседания на листовом аппарате.
Для оценки эффективности работы промышленных фильтров, предназначенных для удаления пыли, используют ряд специальных терминов.
Средняя пылезадерживающая способность (average arrestance) – это отношение массы задержанной фильтром пыли к массе пыли в воздухе до фильтра до достижения предельного перепада давления.
Начальная пылезадерживающая способность (initial arrestance) – это количество уловленной из первых 30 г поданной на фильтр пыли, выраженное в процентах.
Если рассматривать лист (листовой аппарат) как фильтр, то вышеперечисленные определения можно отнести и к нему.
Методы определения пылезадерживающей способности листьев
Программа проведения исследований пылезадерживающей способности различных видов деревьев и кустарников и разработки методов её определения, была определена кафедрой лесных культур Нижегородской ГСХА и включала в себя нижеследующие пункты.
1. Выявить сроки достижения отдельными видами площади листовых пластин типичных размеров и форм. 2. Установить площадь осаждающей поверхности кроны для выбранного ассортимента видов.
3. Установить количество осаждаемой листовыми пластинами пыли выбранным для исследования ассортиментом древесно-кустарниковых пород.
4. Выявить динамику пылезадерживающей способности в соответствии с фенологией и погодными условиями в течение четырех месяцев (июнь, июль, август, сентябрь).
5. Построить шкалу пылезадерживающей способности выбранного ассортимента видов деревьев и кустарников.
Методологической платформой проведения исследований в указанном направлении выступали общенаучные методы.
При исследовании пылезадерживающей способности деревьев и кустарников, используемых в озеленении территории участка НГСХА, (дипломная работа выпускницы факультета лесного хозяйства НГСХА 2002 года Кочневой Юлии Николаевны, руководитель Бессчетнова Н.Н.) был применен общенаучный метод исследований – «анализ». В соответствии с этом для более точных оценок показателя крона каждого учетного дерева в целом мысленно делилась на (4) четыре сектора двумя перпендикулярными вертикальными плоскостями, проходящими соответственно с севера на юг и с востока на запад, и на 3 (три) яруса (верхний, средний и нижний) двумя параллельными горизонтальными плоскостями, равноудаленными от центральной точки по высоте ствола. В результате указанных действий крона каждого учетного дерева была представлена 12 частями. На следующем этапе из каждой части отдельно брались биологические пробы – все листья с учетных ветвей, типичных для каждой из выделенных участков кроны. При выделении типичных для каждой части кроны облиственных ветвей визуально устанавливался их тип и параметры, после чего осуществлялось физическое отделение нужной ветви. Привести графическую схему деления из главы «Методика» указанной дипломной работы.
ПРИМЕР.
Расчленив мысленно крону и изучив пылезадерживающую способность листьев в каждой из этих частей, мы объединили разрозненные сведения об изучаемом свойстве (парметре) объекта исследования и получили информацию о пылезадерживающей способности дерева в целом, для каждого из исследуемых видов деревьев и кустарников.
ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ
Работа выполняется посредством последовательного выполнения ряда её этапов.