Л.И. Егоренков, Б.И. Кочуров
Геоэкология
Учебное пособие. – М.: Финансы и статистика, 2005. - 320 с.
Глава 2. Антропогенное преобразование ландшафтов (геосистем)
2.5. Механизм воздействия загрязняющих веществ на растительные и животные организмы
2.5.1. Влияние загрязнений на растительность
Возможны как отрицательные, так и положительные воздействия
загрязняющих веществ на растения. Наиболее систематические исследования по
влиянию загрязнения на растительность были проведены в США, Канаде, Германии и
других странах Европы. Они были связаны, прежде всего, с гибелью лесов. Первые
сведения о повреждении лесов, связанных главным образом с антропогенными
источниками, относятся еще к 1880 г., когда в районе металлургических заводов в
Онтарио (США) произошла массовая гибель вековых лесов. Начиная с 1900 г.,
случаи гибели и повреждения лесов отмечались в США; в 1920, 1940, 1960 гг. А с
1970 г. наблюдается массовая гибель сосны обыкновенной в Германии, России, а также
приморской сосны во Франции (1980 г.).
У нас в стране более 600 тыс. га лесных массивов,
расположенных в зоне выброса вредных веществ промышленными предприятиями,
находится в состоянии полного или частичного усыхания. Так, например, выбросы
Норильского медно-никелевого комбината, Братского алюминиевого завода,
Байкальского медеплавильного завода (Южный Урал) угнетают лесную растительность
в радиусе до 150 км.
Выбросы Люберецкой ТЭЦ-22 (Московская область) способствуют
массовой гибели сосновых посадок и пригородного леса.
Гибель лесных массивов связана главным образом с такими
вредными соединениями, как диоксиды серы и азота, озоном, пероксидом водорода.
Механизм действия этих веществ неодинаков, что связано с расположением леса в
разных климатических зонах, породным составом древостоев и местными
лесо-растительными условиями.
Обычно леса произрастают в районах с достаточно высоким
количеством осадков (не менее 50 см в год). В США при поддержке Института
энергетики (1984 г.) были проведены эксперименты по изучению действия кислотных
дождей на саженцы тюльпанового дерева, белого дуба и виргинской сосны, ели.
Саженцы произрастали на бедных песчаных почвах с невысокой буферной
способностью и чувствительных к закислению. В результате воздействия
искусственных кислотных дождей (рН 3,5-5,6) в течение 30 месяцев были
обнаружены изменения в катионном составе листьев. В первые сутки отмечалась
особенно быстрая аккумуляция кальция. При рН 2-2,5 качество листвы и хвои
внешне не изменялось, но сильно сокращалась скорость роста молодых побегов.
Установлена была и высокая чувствительность к кислотным дождям саженцев ели.
При рН 2 наблюдалось общее увядание, хвоя усыхала и приобретала рыже-коричневый
цвет.
У большинства хвойных и лиственных пород при рН 2,6
наблюдается повреждение клеток (лист, хвоя). В отдельных случаях отмечен
положительный эффект действия кислотных Дождей - уровень микоризных корневых
инфекций снижен на 10-15%.
Аналогичные изменения обнаружены и в случае кислотных туманов
(облаков). Меняется ионный обмен, вымывание белка составляет 4—5% при рН 2,3,
замедляется скорость роста всех хвойных пород.
Действие газообразных загрязнений. В районах тепловых
станций и металлургических заводов даже при кратковременных (1-2 ч) выбросах
дымовых газов концентрация диоксида серы становится высокой (более 1300 мкг/м3).
Хлороз и потеря Резистентности к влаге отмечаются при концентрации выше 468
мкг/м3 в течение 8 ч или при 1820 мкг/м3 в течение 1 ч. В
лесных массивах концентрация диоксида серы не превышает 20 биологических доз
(б. д.),[10]
но вблизи промышленных зон она может возрастать на порядок. Предел сопротивляемости
деревьев большинства пород к диоксиду серы в период интенсивного роста составляет
100 б. д. или в среднем в весенне-летний период 50 б. д. Хлорозу наиболее
подвержены старые иглы хвойных деревьев. Наименее чувствительны бальзамическая
сосна, горная сосна Веймутова, сосна обыкновенная, сосна Фрезера, американский
шерлаховый дуб, красный и сахарный клен.
При совместном действии диоксида серы и озона наблюдается
аддитивность отрицательных эффектов, что справедливо и для действия азота.
Однако в присутствии диоксида азота уменьшается повреждающее действие озона.
Подавление фотосинтеза озоном. Отрицательное действие
озона связано с его проникновением внутрь хвои или листьев в процессе дыхания
растений. Весной и летом повышение концентрации озона совпадает с увеличением
интенсивности газообмена в дневные часы, что приводит к нежелательным
последствиям для деревьев. Зоны наиболее сильной поврежденности деревьев, как
правило, совпадают с зонами повышенной концентрации озона, которая возрастает в
ночное время при высокой влажности, что способствует раскрытию устьиц и более
интенсивному проникновению озона внутрь листьев и игл. Поэтому высокогорные
леса и леса на побережье легко повреждаются. Фотосинтез наиболее интенсивен в
молодой хвое (1 год), к 2-3 годам скорость его сильно падает.
Механизм действия озона следующий. Сначала он повреждает
мезофильные клетки, вследствие чего нарушаются функции клеточных оболочек. В
результате окисления белков, ненасыщенных жирных кислот и аминокислот
повышается проницаемость клеточных мембран. Проникая в клетку, озон повреждает
хлоропласты и ингибирует фотосинтез. Одновременно нарушается регуляция устьиц и
меняется активность ферментов. В результате эволюции растения приспосабливаются
к функционированию при концентрации озона 10 - 40 б. д. К действию озона
наименее чувствительны сосна, дуб, наиболее - тополь.
Повреждение деревьев возможно и под действием тяжелых
металлов (свинца, кадмия, цинка), этилена, анилина, продуктов фотохимического
окисления, фторидов, соединений аммония и т. д. Однако в региональных масштабах
повреждение лесов под действием этих соединений очень незначительно (по
сравнению с повреждением лесов под действием основных атмосферных загрязнений).
Механизм действия газообразных загрязнений на
сельскохозяйственные растения. В зависимости от доз, получаемых растениями,
диоксид серы может оказывать как положительное, так и отрицательное действие.
При малых концентрациях он является дополнительным источником питания, при
высоких - резко ухудшается обмен веществ и возможна быстрая гибель растений.
Это обусловлено преимущественно изменением количества углеводов - при малых
дозах диоксида серы оно увеличивается, а при повышенной концентрации диоксида -
уменьшается. Устойчивость растений к диоксиду серы определяется двумя факторами
- активностью устьиц листа и скоростью адсорбции диоксида серы на поверхности,
а также способностью переводить токсичный сульфит в неактивный сульфат (как это
наблюдается у бобовых).
Диоксид серы препятствует развитию у растений грибковых
заболеваний, однако механизм действия опосредованный.
Степень воздействия диоксида серы определяется стрессами ~
при резких колебаниях температуры повышается чувствительность растений, при
водном стрессе возрастает сопротивляемость растений к высоким одноразовым
концентрациям и снижается устойчивость к продолжительным невысоким
концентрациям диоксида серы. Для выяснения действия диоксида серы на растения
необходимо учитывать, что длительные воздействия невысоких концентраций (менее
260 мкг/м3) они переносят хуже, чем те же количества, но при меньшей
продолжительности воздействия. Важна и периодичность изменения концентрации
диоксида, выделяемого антропогенными источниками.
Оксиды азота более токсичны, чем оксиды серы. Особенно
сильно они влияют на вегетацию растений, произрастающих вблизи заводов по
производству азотной кислоты и удобрений. В результате действия диоксида азота
нарушаются фотосинтез и интенсивность клеточного обмена, что приводит к
отмиранию части листвы.
Так, например, в сельскохозяйственных регионах США
среднесуточная концентрация диоксида азота в летний период составляет не более
10 б. д. В этих условиях повреждение листвы у большинства культур не превышает
5%. Наблюдаемые концентрации диоксида азота не оказывают сильного
отрицательного действия на посевы, однако в комбинациях с другими загрязнениями
(диоксидом серы, озоном и другими веществами) эффект может быть сильным [12].
Уменьшение концентрации озона на 25 б. д. приводит к
повышению урожайности большинства сельскохозяйственных культур на 7-10%. К
озону наиболее чувствительна соя, наименее - сорго. Установлены различия и в
чувствительности отдельных гибридов, например пшеницы. Потеря урожайности
большинства культур является линейной функцией от концентрации озона в
интервале 20 - 200 б. д.
Токсичность озона обусловлена подавлением фотосинтеза и
нарушением процессов метаболизма.
Интенсивность действия озона на растения зависит от многих
факторов, но наиболее важные из них - влажность воздуха и почвы. При недостатке
влаги растения малочувствительный к озону, а при обильном поливе и дожде
снижается масса ростков корневой системы и ухудшается прорастаемость семян.
Водный стресс приводит к замедлению дыхательного обмена (сужению устьиц), при
этом в лист проникает меньше озона. Важность выбора правильного режима полива в
соответствии с содержанием озона в воздухе в течение дня показана в
эксперименте на примере табака, бобовых и некоторых трав. Низкая интенсивность
солнечного света также повышает чувствительность растений (табака, бобовых) к
озону.
По данным ученых Пенсильванского университета, при
совместном действии кислотного дождя и озона возрастает интенсивность выделения
этилена, что свидетельствует о водном стрессе у растений. Как показали исследования,
проведенные в Калифорнии в 1981 г., при совместном действии кислотного тумана
(рН 2,6 - 7) и озона несколько увеличивалась урожайность земляники, перца,
люцерны и сельдерея, при рН 1,6 урожайность всех культур (за исключением
сельдерея) снизилась. В результате действия озона на посадки сои наблюдалось
интенсивное поедание листьев божьей коровкой. Интенсивнее размножаются бобовая
и свекловичная тля на листьях, подвергающихся совместному действию озона и
диоксидов серы и азота. Диоксид серы способствует более быстрому размножению
божьей коровки, она более продуктивна при яйцекладке. Вредители активнее поедают
листву деревьев и посевов, на которые действуют дым котельных и заводов. Существует
мнение, что растения теряют иммунитет к вредителям, в результате выщелачивания
некоторых компонентов изменяется состав листьев, и они становятся более
съедобными для вредителей.
[10]
б. д. = млрд-1(10-9) мкг/м3
|