Визуальная биоиндикация загрязнения атмосферы урбосистем щелочным аэрозолем и диоксидом азота с помощью высших растений в полевых и камеральных условиях
МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ЛАБОРАТОРНЫМ РАБОТАМ ПО ВИЗУАЛЬНОЙ БИОИНДИКАЦИИ ЗАГРЯЗНЕНИЯ АТМОСФЕРЫУРБОСИСТЕМ
для студентов очной и заочной форм обучения по специальности 280100 “Безопасность жизнедеятельности” и студентов других специальностей
Магнитогорск - 2009
Составитель: проф., д.т.н., к.б.н. Коробова Н.Л.
Визуальная биоиндикация загрязнения атмосферы урбосистемщелочным аэрозолем и диоксидом азотас помощью высших растений в полевых и камеральных условиях. Приведены методические указания по визуальной биоиндикации загрязнения атмосферного воздуха урбосистем с известковой индустрией щелочным аэрозолем и диоксидом азота выхлопов автотранспорта в полевых условиях с помощью елей канадских, елей обыкновенных, сосен обыкновенных и клёна ясенелистного, а также даны методические указания по визуальной биоиндикации загрязнения атмосферного воздуха в камеральных условиях по гербарным образцам и фотографиям выше указанных пород деревьев.
Методические указания к лабораторным работам “ Визуальная биоиндикация загрязнения атмосферы урбосистемщелочным аэрозолем и диоксидом азота с помощью высших растений в полевых и камеральных условиях” предназначаются для студентовочной и заочной форм обучения по специальности 280100 “Безопасность жизнедеятельности”, изучающих дисциплину “Физико-химические процессы в техносфере ”, а также для студентов других специальностей, изучающих дисциплины “Экология” и “Общие проблемы экологии”.
Рецензент: зав. каф. ПЭиБЖД, д.т.н., проф. Черчинцев В.Д.
© Коробова Н.Л., 2008
Актуальность. Лесопосадки активно способствуют оздоровлению городской среды: выделяют кислород и фитонциды, поглощают агрессивные газы, способствуют снижению запылённости воздуха и уровня шума, улучшают микроклимат [1]. В пределах урбосистем растительные сообщества находятся под мощным техногенным воздействием.
Наибольшую нагрузку растения испытывают в городах, в атмосферный воздух которых поступают в больших количествах различные промышленные и транспортные выбросы. Действие атмосферных примесей угнетает наиболее чувствительные компоненты городских фитоценозов и ведет к деградации последних. Деградированные растения не осуществляют экологическое функционирование и реабилитацию урбосистем должным образом, и не соответствуют архитектурно-планировочным требованиям [2-3]. Таким образом, перед специалистами промышленно-гражданского строительства, занимающимися вопросами озеленения промышленных городов, остро стоит вопрос выбора пород деревьев, устойчивых к действию атмосферных промышленных и транспортных выбросов.
Практическая значимость. Результаты визуальной биоиндикации загрязнения атмосферы щелочным аэрозолем и диоксидом азота выхлопов автотранспорта по показателям, предлагаемым авторами [4-9] могут использоваться:
1) градостроительными организациями в виде карт экологического зонирования и учитываться на этапе градостроительного проектирования различного уровня, в том числе, на этапе проектирования районной планировки, что позволяет усовершенствовать приёмы градостроительного проектирования и оптимизировать методы биореабилитации урбосистем с учётом принципов рационального природопользования;
2) экологическими службами различных ведомств для экспрессной оценки экологической ситуации в городах и регионах в связи с задачами совершенствования системы атмосферного мониторинга и повышения эффективности рекомендуемых для этих целей программ;
3) научными исследователями с целью дальнейшего совершенствования принципов экологического нормирования показателей качества окружающей среды.
Некоторые показатели визуальной биоиндикации.
Для визуальной биоиндикации состояния урбосистем используют различные методы. С их помощью определяют следующие показатели [10-14]:
-длину и ширину листовых пластин,
-длину черешка листа,
-длину хвои,
-длину годичного прироста веток,
-массу листьев и хвои,
-массу годичного прироста веток,
-количество зубчиков на листьях одуванчика,
-расстояние между основаниями жилок второго порядка листовых пластин некоторых пород деревьев,
- величину радиального прироста стволов деревьев,
-количество следов хвоинок на продольном разрезе годичных колец сосновых веток.
В подавляющем большинстве своём это общеинтегральные показатели, позволяющие в целом определить: насколько неблагоприятная экологическая обстановка в том или ином промышленном районе города или региона.
Наиболее просты и доступны визуальные методы биоиндикации, позволяющие оценить наличие примесей в атмосферном воздухе по состоянию ассимилирующих (зелёных) органов растений [4-9]. К таким показателям относятся ожоги оранжево-красного цветов листьев и хвои, вызываемые действием диоксида азота, и апикальное охвоение веток в совокупности со щелочной реакцией хвойного опада.
Достоинства выше указываемых методов визуальной биоиндикации очевидны:
1) высокая экспрессность,
2) простота и доступность широкому кругу наблюдателей,
3) относительно небольшая трудоёмкость,
4) низкая себестоимость,
5) возможность исключить пробоотбор листьев, хвои, веток и кернов древесины,
6) возможность избирательного определения повышенных количеств только одного вещества (NO2), так как цвет ожогов листьев и хвои, вызванных действием NO2, обусловлен высокоселективной ксантопротеиновой реакцией,
7) при высокой селективности показателя возможность ограничится только визуальным наблюдением без использования физико-химических методов.
Визуальное определение наличия в атмосферном воздухе щелочного аэрозоля связано с дополнительным использованием экспрессного и широко распространенного метода рН-метрии. С помощью рН-метрии оценивается реакция хвойного опада, что незначительно увеличивает трудоёмкость и себестоимость биоиндикационных наблюдений.
Выше указываемые два показателя - наличие на ассимилирующих органах растений ожогов красного и оранжевого цветов, обуславливаемых ксантопротеиновой реакцией, и наличие апикального охвоения крон вечнозелёных хвойных пород деревьев в совокупности со щелочной реакцией хвойного опада по сравнению с другими биологическими показателями характеризуются крайне низкой трудоёмкостью и высокой экспрессностью. Это даёт возможность без серьёзных экономических затрат проводить исследования с большим объёмом выборки и в кратчайшие сроки охватывать подобными наблюдениями большие территории.
Выше указываемые достоинства позволяют включить предлагаемые авторами [4-9] визуально определяемые показатели во все, в том числе и сокращённые, программы атмосферного и комплексного мониторинга урбосистем.
Трудности в выборе показателей визуальной биоиндикации:
1) их природа (селективность и чувствительность к данному техногенному фактору),
2) пространственное и временное варьирование значений показателей,
3) степень повреждения растений в момент пробоотбора.
Первое условие определяет точность и избирательность получаемых результатов. Некоторые показатели визуальной биоиндикации характеризуются одновременно высокой чувствительностью и крайне низкой селективностью, то есть чутко отражают динамику множества экофакторов. К таким показателям относятся, например, боковой рост листьев или годичный прирост веток вечнозелёных деревьев. В этом случае крайне трудно выявить решающее действие какого-либо одного экофактора.
Второе условие определяет диапазон получаемых результатов и характеризуется, например, коэффициентом варьирования. Использование коэффициента варьирования в качестве основной оценки динамики показателей позволяет сравнивать варьирование параметров с разными единицами измерения.
Размах варьирования, в свою очередь, существенно влияет на объём выборки, следовательно и на трудоёмкость измерений и их продолжительность. Чем выше коэффициент варьирования значений показателя, тем больше объём исследуемой выборки, а следовательно выше трудоёмкость и временные затраты на исследование динамики этого показателя.
Третье условие имеет большое значение с точки зрения сохранности лесопосадок, минимизации ущерба растениям при проведении биоиндикационных наблюдений.
Исследование механизмов воздействия атмосферных примесей на растения представляет собой серьёзную задачу.
Существует два подхода к изучению механизмов влияния атмосферного загрязнения на растения [15]:
1) модельные эксперименты в лабораторных условиях,
2) наблюдения в полевых условиях.
Недостатком лабораторных наблюдений служат специфичные условия, создаваемые в камерах искусственной фумигации (обработки растений газами), но отсутствующие в естественных условиях.
К недостаткам второго подхода при исследованиях несмоделированных (то есть исходных) ситуаций следует отнести одновременное воздействие на растения множества техногенных и природных факторов. При этом весьма затруднительно выявление идентификационных признаков повреждения растений, однозначно указывающих на негативное действие какого-либо одного фактора.
Одной их форм полевых исследований служит модельный эксперимент, представляющий собой искусственную фумигацию растений в естественных условиях. Это наиболее целесообразный подход к исследованию механизмов устойчивости растений к действию загрязняющих атмосферу веществ, который позволяет определить идентификационные признаки повреждения растений, характерные для действия небольшого набора атмосферных примесей [15], и степень устойчивости растений к действию атмосферных примесей [2-3].