Environmental quality assessment in Kirovsk (Murmansk Region) based on the state of Siberian spruce needles

Full Text

Введение

С ростом городов и развитием промышленности перед людьми встала проблема загрязнения окружающей среды, в частности – атмосферного воздуха [1, с. 32]. Согласно исследованиям, на загрязнение окружающей среды остро реагируют хвойные древесные растения. Характерными признаками неблагополучной окружающей среды, в частности – газового состава атмосферы, является уменьшение размеров ряда органов, наличие разного рода хлорозов и некрозов. Существует несколько подходов к биоиндикации по хвойным породам деревьев: исследование общего состояния деревьев, определение состояния хвои по некрозам и усыханиям; определение площади поверхности хвои; определение состояния генеративных органов; состояние прироста последних лет; определение продолжительности жизни хвои. Удобство использования хвойных для биоиндикации состоит в том, что наблюдения возможны круглогодично как на небольших, так и на значительных по масштабу территориях [2, с. 50].

Цель исследования: оценить качество окружающей среды по состоянию хвои ели сибирской (Picea obovata) в городе Кировск Мурманской области.

Задачи: проанализировать состояния хвои ели сибирской в трёх районах города Кировск (въезд в город со стороны г. Апатиты, северный склон г. Айкуайвенчорр, гаражный кооператив по ул. 50 лет Октября); оценить состояние окружающей среды в городе Кировск Мурманской области.

Развитие каждого растительного организма включает ряд этапов, характеризующихся различием по морфологическим и физиологическим признакам. При выделении этапов развития хвойных растений используют, главным образом, морфологические признаки. Влияние загрязненного воздуха на растения происходит не только путем прямого действия на ассимиляционный аппарат, но и путем косвенного воздействия через почву [3, с. 90].

Выбор ели сибирской (Picea obovata) в качестве объекта исследования обусловлен широкой распространенностью вида в пределах Мурманской области [4, с. 10]. Сосна обыкновенная, ель, пихта наиболее чувствительны к повышенному содержанию диоксида серы (SO₂) и хлора (Cl) и радиационному заражению. Высокая чувствительность у хвойных также наблюдается (при длительном воздействии) к таким веществам, как: фтороводород (HF), хлороводород (HCl), аммиак (NH₃). Говоря о макроскопических изменениях, следует отметить прежде всего изменения окраски листьев, к которым относятся хлорозы, пожелтение, побурение, побронзовение, посеребрение хвои, что свидетельствует о первых стадиях тяжёлых морфофункциональных изменений у хвойных растений [5, с. 250]. Изменения размеров и формы органов чаще всего носят неспецифичный характер. Так, в окрестностях промышленных предприятий, производящих удобрения, хвоя сосны может увеличиваться под действием нитратов и укорачиваться под действием SO₂. Таким образом, можно говорить о том, что при среднегодовом содержании SO₂ в воздухе до 10 мкг/м³ наблюдается нормальное развитие хвойных растений. [6, с. 101].

Характеристика района исследования

Город Кировск расположен в центре Кольского полуострова. АО «Апатит» – предприятие, оказывающее основное воздействие на состояние окружающей среды городского округа, включает в себя четыре рудника, две обогатительные фабрики. Основной вид выпускаемой продукции – апатитовый, сфеновый и нефелиновый концентраты, используемые в дальнейшем для производства текстиля, фаянса, чистых химических элементов (натрий, алюминий, калий, титан), для производства минеральных удобрений [7].

Для отбора проб было выбрано три точки в разных районах города. Первым местом отбора проб (пункт № 1) был выбран участок на въезде в город Кировск со стороны города Апатиты, расположенный в 40–100 м от основной автодороги, рядом с проселочной дорогой. Расстояние до ближайших жилых домов около 300 м. Рядом протекает река Белая.

Вторым местом отбора проб (пункт № 2) был выбран северный (городской) склон горы Айкуайвенчорр, находящийся в северной части города Кировск. На склонах горы расположены горнолыжные подъёмники и горнолыжные трассы, которые, однако, не затрагивают непосредственно район отбора проб. Основное воздействие на склон оказывает строительство административно-спортивного комплекса СДЮСШОР по горнолыжному спорту, которое продлится до 2022 г. Данный строительный объект следует рассматривать как дополнительный источник выбросов (работа ДВС) [7].

Третьим местом отбора проб (пункт 3) был выбран район гаражного кооператива по улице 50 лет Октября, на склоне, ниже пролегания лыжной трассы, в 100 метрах от дома № 33а.

В каждом пункте было выбрано несколько участков, в которых были отобраны пробы. Описание методики проведения исследования приведено в следующем разделе.

Методы исследования

Анализ хвои по методике О.П. Мелеховой проводится в несколько этапов [8, с. 195]:

1) Путем осмотра побегов с хвоей по количеству мутовок определяется продолжительность жизни хвои.

2) С помощью биологической измерительной лупы, предварительно установив цену деления лупы, производят измерение длины и ширины хвоинок (не менее 50-ти хвоинок с каждого дерева) на побеге прошлого года.

3) Анализ хлорозов и некрозов заключается в определении доли повреждений и классов усыхания хвои на кончиках и на всей их поверхности с обязательным занесением всех данных в таблицы. Цвет повреждений является информативным качественным признаком и может быть различным: от красновато-бурого и жёлто-коричневого до сизого [9].

4) Полусферическая поверхность хвоинок оценивается по формуле 1 [8]:

$TA{n}_{пол.}=\mathrm{\pi rL}$ (1),

где: r – 1/2 ширины плоской части хвои; L – длина хвои.

5) Общая поверхность хвоинки оценивалась по формуле 2:

$TA{n}_{общ.}=\mathrm{\pi r}+\left(2\mathrm{r}\right)\mathrm{L}$ (2),

где: r – 1/2 ширины плоской части хвои; L – длина хвои.

6) Анализ результатов, формулировка выводов о состоянии окружающей среды.

Отбор проб во всех трёх пунктах осуществлялся 13.10.2019 г. Температура воздуха в этот день в среднем составляла +3°C, временами наблюдались осадки в виде мокрого снега. Все три пункта отбора проб были разбиты на несколько участков, на каждом участке было выбрано по два дерева высотой 2–2,2 м, с обхватом ствола 16–18 см на небольшом удалении (не более 10 м) друг от друга. Пробы отбирались на высоте 1,5 м от земли [10, с. 200; 11].

Для пункта № 1 было выбрано три участка отбора проб на расстоянии 30 м друг от друга, удалённые от основной трассы на 40, 70 и 100 м соответственно.

Для пункта № 2, расположенного на склоне, предварительно была отмечена высота начальной точки отбора проб – подножие склона, около 390 м над уровнем моря, в непосредственной близости от строительного объекта, а также – высота конечной точки, исходя из того, что пояс хвойных лесов не поднимается выше 470 м над уровнем моря – граница окончания хвойного леса, около 450 м над уровнем моря. Учитывая, что склон имеет уклон, было принято решение выбрать пять участков через каждые 20 м, чтобы дополнительно установить, изменяется ли состояние хвои с высотой.

В пункте № 3 обнаружено большое количество деревьев с обломанными верхушками, это может быть связано со сходом лавин в зимний период. Для пункта № 3, как и для пункта № 1, было выбрано три участка отбора проб на расстоянии 30 м друг от друга, на разном удалении от гаражного кооператива – 20, 50, 80 м. Средний возраст хвои на исследуемых побегах составил 3 года.

Достоверность представленных показателей подтверждена с использованием онлайн-приложения для определения критерия Стьюдента (зона незначимости различий).

Результаты

Для оценки состояния окружающей среды по комплексу признаков хвойных была использована шкала оценки, представленная в таблице 1.

Результаты анализа представлены в таблице 2 и 3.

Из приведённых в таблицах количественных данных следует, что в целом состояние атмосферного воздуха в исследуемом районе оценивается как хорошее. Можно также выделить некоторые закономерности для каждого из пунктов.

Так, для пункта № 1 (въезд в город) отмечено, что чем удалённее участок от дороги, тем меньше доля повреждений и класс усыхания у ели сибирской. Это, вероятно, связано с тем, что с удалением от основной трассы уменьшается количество влияющих на растения выбросов загрязняющих веществ от автотранспорта. Для наглядности был построен график (рис. 1), отражающий данную закономерность.

 

Таблица 1 – Шкала оценки состояния окружающей среды

Категория состояния окружающей среды	Состояние хвои
	Средняя доля повреждений, %	Превалирующий класс усыхания	Характеристика повреждений
Хорошее	Не более 5	1	Пятна отсутствуют
Удовлетворительное	5–10	2	Обнаруживаются чёрные и желтые пятна
Неудовлетворительное	10–20	3	Отмечается частичное усыхание хвои
Крайне неудовлетворительное	Более 20	4	Наблюдается усыхание хвои

 

Таблица 2 – Результаты анализа повреждений хвои

№ пробы (участок)	Класс усыхания (доля повреждённой хвои, %)				Суммарная доля поврежденных хвоинок по II–IV классам усыхания, %
	I (усыхание отсутствует)	II (усыхание 2–5 мм)	III (усыхание 1/3)	IV (усыхание более 1/2)
1.1 (1)	68	30	2	–	32
1.1 (2)	68	32	–	–	32
1.2 (1)	76	24	–	–	24
1.2 (2)	72	28	–	–	28
1.3 (1)	84	14	2	–	16
1.3 (2)	86	14	–	–	14
2.1 (1)	98	2	–	–	2
2.1 (2)	96	–	–	4	4
2.2 (1)	100	–	–	–	–
2.2 (2)	66	14	20	–	34
2.3 (1)	84	4	10	2	16
2.3 (2)	86	8	6	–	14
2.4 (1)	80	18	–	2	20
2.4 (2)	90	6	2	2	10
2.5 (1)	70	26	4	–	30
2.5 (2)	52	42	6	–	48
3.1 (1)	54	46	–	–	46
3.1 (2)	56	40	4	–	44
3.2 (1)	78	20	2	–	22
3.2 (2)	74	24	2		26
3.3 (1)	78	22	–	–	22
3.3 (2)	88	12	–	–	12

Таблица 3 – Оценка состояния окружающей среды на исследуемой территории

№ участка	Результаты анализа проб
	Средняя доля повреждения, %	Средний класс усыхания	Категория состояния окружающей среды
1.1	2,71	1,32	Хорошее
1.2	1,62	1,26	Хорошее
1.3	1,55	1,16	Хорошее
Средний показатель для пункта № 1	1,96	1,25	Хорошее
2.1	2,81	1,07	Хорошее
2.2	1,07	1,07	Хорошее
2.3	2,24	1,25	Хорошее
2.4	2,72	1,20	Хорошее
2.5	1,47	1,44	Хорошее
Средний показатель для пункта № 2	2,06	1,21	Хорошее
3.1	2,98	1,47	Хорошее
3.2	2,44	1,26	Хорошее
3.3	1,79	1,17	Хорошее
Средний показатель для пункта № 3	2,40	1,30	Хорошее
Средний показатель по городу Кировск	2,14	1,25	Хорошее

 

При качественном анализе пункта № 2 (склон горы Айкуайвенчорр) обнаружено, что с высотой увеличивается число усохших хвоинок, что, вероятно, связано с усилением действия ветра (скорость подачи влаги в растущие органы растений не успевает за высоким уровнем транспирации). Однако достоверная зависимость средней доли повреждений хвои от высоты не выявлена.

Для пункта № 3 (в районе гаражного кооператива) выявлена следующая зависимость: чем удалённее участок от гаражного кооператива, тем лучше состояние хвои ели сибирской. Это, вероятно, связано с уменьшением антропогенных воздействий – так, из гаражных кооперативов часто происходит загрязнение почвы нефтепродуктами и ПАВ (например, при мытье машин), а также происходит загрязнение атмосферного воздуха при работе автомобильных двигателей. Зависимость отражена на графике (рис. 2).

Полученные данные могут быть использованы при мониторинге окружающей среды различных районов Мурманской области и других субъектов северных широт, при формировании плана природоохранных мероприятий и экологического мониторинга различных промышленных предприятий Мурманской области [12–14].

 

Рисунок 1 – Динамика показателей состояния хвои ели сибирской с изменением расстояния от автотрассы

 

Рисунок 2 – Динамика показателей состояния хвои ели сибирской с изменением расстояния от гаражного кооператива

 

Выводы

1. Подтверждено, что исследование общего состояния деревьев, определение площади поверхности и состояния хвои, обнаружение некрозов и определение класса усыхания, определение состояния генеративных органов и продолжительности жизни хвои – всё это является основным подходом в биоиндикации окружающей среды с использованием хвойных растений.
2. Состояние хвои ели сибирской в исследуемом районе (г. Кировск Мурманской области) оценивается как удовлетворительное. Средний процент площади поврежденных растений в разных пунктах отбора проб колеблется от 1,96 до 2,4%. Установлено, что с удалением от автодорог и гаражных кооперативов, состояние хвои улучшается. Также обнаружено, что с высотой хвоя становится более подверженной усыханию, что может быть связано с увеличением возраста (старением) побегов и хвои, а также с действием абиотических факторов (ветер, осадки). Зависимость величины среднего процента повреждений от высоты не выявлена.
3. Согласно используемой шкале оценки состояние окружающей среды в городе Кировск Мурманской области оценено как «хорошее». Показатели оценки состояния окружающей среды в исследуемых районах отличаются незначительно.

About the authors

Evgenia Y. Aleksandrova

Murmansk Arctic State University

Email: dzhessika_www@mail.ru

candidate of pedagogical sciences, associate professor of Natural Sciences Department

Russian Federation, Murmansk

Alla A. Trotsenko

Murmansk Arctic State University

Author for correspondence.
Email: trotcenko2007@yandex.ru

candidate of biological sciences, associate professor of Natural Sciences Department

Russian Federation, Murmansk

Lyudmila S. Kalinovskaya

Saint Petersburg State University

Email: cooldances19@gmail.com

master student of Geoecology and Nature Management Department

Russian Federation, Saint Petersburg

References

Supplementary files