состояния древостоев и определяющих его факторов

Для определения норм предельно-допустимого загрязнения атмосферы необходимо получить уравнение связи показателя состояния древостоев и определяющих его факторов в следующем виде:

y = f(x₁, x₂,...x_n),

в случае когда f - линейная функция:

n

y = b₀ + å b_i x_i,

i=1

где у - показатель состояния древостоя, х_i - факторы, определяющие его состояние.

При анализе таких зависимостей большое значение имеют следующие дифференциальные характеристики функционального уравнения связи (Алексеев,1991):

- эластичность показателя состояния древостоя по определяющим его факторам:

Е_i = (dy/dx_i):(y/x_i),

в линейном случае

E_i = b_i(x_i /y),

эта величина показывает на сколько процентов изменится показатель состояния при изменении фактора на 1%;

- норма замещения двух факторов, при фиксированных значениях остальных:

a_ij= - (dy/dx_j):(dy/dx_i),

в линейном случае

a_ij= - b_j / b_i.

Норма замещения факторов показывает то количественное соотношение, в котором они могут обмениваться (замещаться) не оказывая влияния на показатель состояния древостоя.

Для уравнения связи в линейной форме дополнительно следует определять долю (удельный вес) влияния каждого из факторов на показатель состояния древостоев (Алексеев,1991).Для определения уравнения связи показателя состояния древостоев и определяющих его факторов на основе данных полевых исследований обычно используются пакеты прикладных программ.

Рассмотрим примеры экологического нормирования атмосферного загрязнения по регрессионному уравнению.

Пример 1. Нормирование загрязнения атмосферы пылью синтетических моющих средств (СМС) по реакции годичного радиального прироста древостоев ели европейской (Алексеев,1991). В этом случае было использовано следующее регрессионное уравнение:

y = 1.057-0.008x₁ - 0.050x₂ +0.700x₃ -0.010x₄,

где, х₁ - уровень загрязнения пылью СМС, кг/га*год;

х₂ - среднегодовая температура, °С;

х₃ - прирост прошлого года, мм;

х₄ - условный возраст, лет.

Коэффициент детерминации уравнения равен 93,1%, т.е. такое количество процентов вариации годичного радиального прироста древостоя ели европейской объяснено включенными в уравнение факторами. Требуется найти такой уровень загрязнения атмосферы пылью СМС, который не влиял бы на радиальный прирост ели европейской. Точность измерения радиального прироста составляет 0.015 мм, поэтому такую вариацию прироста (dу) можно считать допустимой. Предельно-допустимый уровень загрязнения определяем по следующему из регрессионного уравнения соотношению:

dy/dx₁ = 0.008, откуда dx₁ = 0.015/0.008 = 2 кг/га*год.

Эта величина и есть предельно допустимый уровень загрязнения атмосферы, который не может повлиять на прирост древостоев ели европейской.

Пример 2. Нормирование загрязнения атмосферы сернистым газом в присутствии фтористого водорода по изменению индекса состояния древостоев ели европейской. В этом случае использовались следующие регрессионные уравнения (Алексеев,Тарасов,1990; Алексеев, 1994):

y = 37.097 - 6.166 x₁ + 0.105 x₂ + 11.503 х₃ - 0.015 х₄,

x₁ = 6.12 - 0.034x₂ + 4.664x₃ - 0.122x₄,

где y - индекс состояния древостоев ели европейской, x₁ - pH снега, x₂ - концентрация сульфатов - SO₄, мг/л, x₃ - концентрация фтора - F, мг/л, x₄ - концентрация кальция - Ca, мг/л. Коэффициенты детерминации уравнений равны соответственно 0.92 и 0.96 и говорят о том, что от 92 до 96% дисперсии индекса состояния древостоев ели и кислотности снегового покрова определяется факторами, включенными в уравнения регрессии.

С помощью этих уравнений, положив кислотность снега равной 6.3 и концентрацию кальция - 4.95 мг/л, определены предельно- допустимые уровни загрязнения снегового покрова серой - 2.45 мг/л и фтором - 0.22 мг/л.

Величины предельно-допустимого потока загрязнителей в экосистему, соответствующие предельно-допустимым уровням загрязнения снегового покрова могут быть определены по приведенным выше формулам и составляют по сере - 5.37 кг/га*год, по фтору - 0.48 кг/га*год (Алексеев,1994).

По литературным данным критическая для лесных экосистем величина выпадений серы (в виде сульфатов) составляет 20 кг/га*год (Атмосферные нагрузки...,1991). Полученная нами величина почти в четыре раза меньше, что объясняется наличием в нашем случае действия на древостои ели европейской второго сильного фитотоксиканта-фтористого водорода.

В большинстве работ предельно-допустимое загрязнение атмосферного воздуха оценивают по концентрациям соответствующих примесей (мг/м³). Концентрации сернистого газа и фторидов в атмосфере, соответствующие предельно-допустимым потокам этих загрязнителей в лесные экосистемы могут быть также оценены по приведенным выше формулам и равны соответственно 0.002 и 0.0001 мг/м³ для периода осреднения равного году.

В табл.28 приведены наиболее известные оценки предельно-допустимых концентраций сернистого газа и фтористого водорода в атмосфере, определенные по реакции ели европейской с которыми можно сравнить наши данные.

Таблица 28

СРЕДНЕГОДОВЫЕ ВЕЛИЧИНЫ ПРЕДЕЛЬНО-ДОПУСТИМОГО ЗАГРЯЗНЕНИЯ АТМОСФЕРЫ SO₂ И HF ПО РЕАКЦИИ ЕЛИ ЕВРОПЕЙСКОЙ

Сравнение данных табл.28 между собой и нашими оценками предельно допустимого загрязнения атмосферы сернистым газом и фтористым водородом, приведенными выше показывают их сильное различие. Так, нормы по сернистому газу различаются в 7-25 раз, по фтористому водороду в 3 раза. Полученные нами нормы являются наиболее жесткими из рассмотренных, это легко объясняется тем, что они получены нами при исследовании совместного действия на древостои ели европейской таких сильных фитотоксикантов, как сернистый газ и фтористый водород.

На примере совместного действия сернистого газа и фтористого водорода на древостои ели европейской удобно продемонстрировать понятие нормы замещения этих двух повреждающих факторов. Согласно определению, норма замещения фтора и сульфатов в снеговом покрове равна

а_ij = - b_j /b_i = - 11.503/0.105 = - 109.55,

т.е. 1 мг/л фтора в снеговом покрове эквивалентен по своему повреждающему действию наличию 109.55 мг/л сульфатов или 36.52 мг/л серы. Допустим, что загрязнение снегового покрова фтором сократилось на 0.22 мг/л - величину предельно-допустимого загрязнения, т.е. перестало существовать совсем. Тогда, предельно-допустимое загрязнение снега серой может быть увеличено на 0.22*36.52=8.03 мг/л и составит 2.45+8.03=10.48 мг/л, без какого-либо воздействия на древостои ели европейской. Новая величина допустимого потока (нагрузки) серы на лесную территорию, как нетрудно видеть, будет равна:

F_нов.= F_стар.(`c<sub>нов.</sub>/ `c_стар.) = 5.37*(10.48/2.45) = 23 кг/га*год.

Эта величина допустимой нагрузки серы на лесные территории в отсутствии фтора почти точно совпадает с имеющимися в литературных данных, приведенных выше (20 кг/га*год). По оценкам Николаевского, приведенным в (Aerial pollution..., 1993) и полученным методами физиологии растений, хвойные леса центральной тайги могут успешно нейтрализовать поток серы 15-16 кг/га*год, что тоже довольно близко к нашим оценкам.

Таким образом, при помощи нормы замещения факторов, определяющих состояние лесных экосистем можно производить пересчет предельно-допустимых норм загрязнителей в случае их вариации.

Природные лесные экосистемы обладают различной устойчивостью к техногенному воздействию, имеют различный потенциал самоочищения. В значительной степени устойчивость экосистем зависит от типа внутреннего оборота веществ. По этому показателю все элементарные природные экосистемы можно разделить на три главные группы (Герасимов,1985; Глазовская,1983):

- автономные (независимые) экосистемы, их следует отождествлять с зональными плакорными или водораздельными образованиями, в них поток веществ, включая загрязняющие, поступает из атмосферы;

- транзитные (зависимые) экосистемы, расположены на склонах и вынуждены принимать транзитные потоки веществ, идущие из независимых экосистем с поверхностным и грунтовым стоком;

- аккумулятивные экосистемы, представляют собой, в той или иной степени, бессточные территории, расположенные в понижениях рельефа и вынужденные к принудительному использованию потока веществ, поступающего из первых двух типов экосистем.

Наиболее устойчивы к антропогенному загрязнению, при прочих равных условиях, автономные лесные экосистемы, менее - транзитные и наиболее уязвимы - аккумулятивные. В природе эти элементарные типы экосистем комбинируются в сложные гибридные образования, классификацию которых следует осуществлять по соотношению площадей трех основных типов экосистем.

Внутри каждого из типов экосистем скорость ее самоочищения, а следовательно устойчивость к антропогенному загрязнению, зависит от следующих основных характеристик атмосферы, гидросферы и почв (Модели и методы...,1986):

- атмосфера, годовая повторяемость штилей, %; среднее число дней в году с сильным ветром (более 15 м/сек); среднее число дней с году с туманами; средняя годовая температура воздуха,°С; среднее число дней в году с осадками; среднее число дней в году с биологически активной радиацией.

- гидросфера, средний годовой поверхностный сток, мм; плотность сети открытых водотоков, %; окисляемость поверхностных вод, мгО₂/л; средняя годовая температура вод открытых водотоков,°С; заболоченность территории, %.

- почвы, тип подстилающей породы, механический состав, количество гумуса, сорбционная емкость почвенно-геохимических барьеров и др.

При экологическом нормировании атмосферных загрязнений по реакции древесной растительности, следует иметь в виду практическую невозможность установить единые для какой-либо значительной территории нормативы загрязнения по отдельным веществам. Такое положение имеет место потому, что реакция на загрязнение одного и того же вида древесных растений в разных экосистемах будет различной вследствие их разной самоочищающей способности, кроме того на реакцию влияет сопутствующий данному загрязняющему веществу фон, который так же не бывает одинаковым, даже у предприятий одной отрасли. Значительные различия предельно-допустимых норм загрязнения, полученные разными исследователями могут быть следствием различия в методике работ, но так же велика вероятность того, что эти различия есть следствие неодинаковой реакции локальных популяций ели европейской на загрязнение и сопутствующей ему фон в условиях конкретных экосистем. По нашему мнению экологическое нормирование должно быть индивидуальным для каждой лесной экосистемы, так как они в принципе не могут быть одинаковыми. Необходимо также отметить, что при нормировании реакции древесных растений на загрязнение более удобно использовать величину нагрузки (потока) загрязнителя на экосистему (кг/га*год), чем величину концентрации загрязнителя в воздухе (мг/м³).

Предельно-допустимые нормы загрязнения воздуха, определенные по реакции древостоев ели европейской являются значительно более жесткими, чем нормы санитарно-гигиенические. Так, среднесуточная санитарно-гигиеническая ПДК сернистого газа равна 0.05 мг/м³, а фтористого водорода - 0.005 мг/м³. Рассчитанные нами по реакции древостоев ели европейской ПДК для этих загрязнителей для суточного периода осреднения равны 0.01 и 0.0008 мг/м³, соответственно. Таким образом, экологические нормы приблизительно в 5-6 раз более жесткие, чем санитарно-гигиенические. Для пыли СМС экологическая норма в 10 раз жестче санитарной. Причинами повышенной чувствительности хвойных древесных растений к атмосферным примесям являются их преимущественно газовый тип питания, большая поглотительная способность, связанная с большим листовым индексом, многолетняя хвоя и неподвижность относительно источников выбросов.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Айвазян С.А., Енюков И.С., Мешалкин Л.Д. Прикладная статистика. Основы моделирования и первичная обработка данных. М.:Финансы и статистика, 1983. 471 с.

Алексеев А.С. Экологические основы рационального использования природных ресурсов. Л.: ЛТА, 1985. 56 с.

Алексеев А.С. Математические модели и методы в лесном хозяйстве. Л.: ЛТА, 1988. 88 с.

Алексеев А.С. Анализ экологической структуры популяции Picea abies (Pinaceae) в условиях атмосферного загрязнения // Ботанический журнал. Т.75. № 9.1990а. С.1277-1284.

Алексеев А.С. Колебания радиального прироста в древостоях при атмосферном загрязнении //Лесоведение. № 2. 1990б. С.82-85.

Алексеев А.С. Радиальный прирост древостоев Picea abies (Pinaceae) в условиях атмосферного загрязнения //Ботанический журнал. Т.76. №11. 1991. С.1498-1503.

Алексеев А.С. Радиальный прирост деревьев и древостоев при атмосферном загрязнении //Лесоведение. № 4. 1993. С. 66-70.

Алексеев А.С. Экологическое нормирование атмосферного загрязнения SO₂ и HF по состоянию древостоев ели европейской // Лесоведение. № 4. 1994. С. 82-86.

Алексеев А.С. Теория популяционной биоиндикации антропогенных воздействий. // Журнал общей биологии.Т.58. № 1. 1997. С. 121-131.

Алексеев А.С., Жеребцов Р.Р. Закономерности пространственного размещения поврежденной растительности при региональном и локальном загрязнении атмосферы (на примере импактной зоны ГМК ”Печенганикель”) // Экология. №6.1995. С.428-436

Алексеев А.С., Лайранд Н.И. К методике дендроэкологического анализа // Ботанический журнал. Т.78. №10. 1993. С.103-107.

Алексеев А.С., Тарасов Е.В. Количественный анализ связи состояния древостоев ели и загрязнения снегового покрова // Экология и защита леса. Л.: ЛТА, 1990. С.3-7.

Атмосферные нагрузки загрязняющих веществ на территории СССР. Выпуск 1. М.: Гидрометеоиздат, 1991. 188 с.

Биоиндикация в городах и пригородных зонах/Под ред.Криво-луцкого Д.А. М.:Наука, 1993. 122 с.

Биоиндикация загрязнений наземных экосистем /Под ред.Р.Шу-берта. М.:Мир, 1988. 348 с.

Битвинскас Т.Т. Дендроклиматические исследования. Л.: Гидрометеоиздат, 1974.172 с.

Будыко М.И. Глобальная экология. М.:Мысль, 1977. 328 с.

Вайчис М.В. Программа-методика проведения работ по региональному мониторингу лесов Европейской части СССР. Каунас-Гирионис, 1989. 56 с.

Василенко В.Н., Назаров И.М., Фридман Ш.Д. Мониторинг загрязнения снежного покрова. Л.:Гидрометеоиздат, 1985. 182 с.

Влияние промышленного атмосферного загрязнения на сосновые леса Кольского полуострова /Под ред.Б.Н.Норина, В.Т.Ярмиш-ко. Л., 1990. 196 с.

Герасимов И.П. Экологические проблемы в прошлой, настоящей и будущей географии мира. М.: Наука, 1985. 248 с.

Глазовская М.А. Принципы классификации природных геосистем по устойчивости к техногенезу и прогнозное ландшафтно-геохимическое районирование//Устойчивость геосистем. М:Наука, 1983. С.61- 78.

Глотов Н.В., Животовский Л.А., Хованов Н.В., Хромов-Борисов Н.Н. Биометрия. Л.:Изд-во ЛГУ, 1982. 264 с.

Гудериан Р. Загрязнение воздушной среды. М.:Мир, 1979.200 с.

Джиллер П. Структура сообществ и экологическая ниша. М.: Мир, 1988. 184 с.

Животовский Л.А. Популяционная биометрия. М.:Наука, 1991. 271 с.

Загрязнение воздуха и жизнь растений /.Под ред.М.Трешоу..Л.: Гидрометеоиздат, 1988. 536 с.

Злобин Ю.А. Теория и практика оценки виталитетного состава ценопопуляций растений // Ботанический журнал. Т.74. No.6. 1989. С.769-781.

Исследование операций. Т.1. Методологические основы и математические методы. М.: Мир, 1981. 712 с.

Карери Дж. Порядок и беспорядок в структуре материи. М.:Мир, 1985.232 с.

Карпенко А.Д. Оценка состояния древостоев в районах промышленного загрязнения// Экология и защита леса. Л.: ЛТА, 1981. С.39-43.

Керженцев А.С. Вступительная статья к книге // Смит У.Х. Лес и атмосфера. М.:Прогресс, 1985. 430 с.

Крючков В.В., Макарова Т.Д. Аэротехногенное воздействие на экосистемы Кольского Севера. Апатиты, 1989. 98 с.

Крючков В.В. Предельные антропогенные нагрузки и состояние экосистем Севера // Экология. 1991. № 3. С.28-40.

Лайранд Н.И., Ловелиус Н.В., Яценко-Хмелевский А.А. Влияние антропогенных воздействий на прирост сосны обыкновенной Рinus sylvestris (Pinaceae) в районе г. Братска // Ботанический журнал. Т.64. № 8. 1979. С.1187-1196.

Лесиньски Е..Армолайтис К. Оценка состояния сосны и ели в лесном мониторинге. Умео, 1992. 28 с.

Лесные экосистемы и атмосферное загрязнение /Под ред. В.А. Алексеева. Л.:Наука, 1990. 200 с.

Ловелиус Н.В. Изменчивость прироста деревьев. Дендроиндикация природных процессов и антропогенных воздействий. Л.:Наука, 1979. 230 с.

Методика организации и проведения работ по мониторингу лесов европейской части России по программе ICP-Forest (методика ЕЭК ООН), Москва, 1995. 42 с.

Модели и методы оценки антропогенных изменений геосистем /Под ред. В.И.Гурмана и А.К.Черкашина. Новосибирск.:Наука, 1986. 150с.

Мозолевская Е.Г., Катаев О.А., Соколова Э.С. Методы лесопатологического обследования очагов стволовых вредителей и болезней леса. М.:Лесная промышленность, 1984. 152 с.

Мониторинг лесов Литвы. Каунас-Гирионис, 1991. 62 с.

Мэннинг У.Дж., Федер У.А. Биомониторинг загрязнений атмосферы с помощью растений. Л.:Гидрометеоиздат, 1985. 144 с.

Пианка Э. Эволюционная экология. М.:Мир, 1981. 400 с.

Пфанцагль И. Теория измерений. М.:Мир, 1976. 248 с.

Розенберг Г.С. Модели в фитоценологии. М.:Наука, 1984. 264 с.

Рубин А.Б. Термодинамика биологических процессов. М.:Изд-во МГУ, 1984. 290 с.

Рубин А.Б.. Пытьева Н.Ф.. Ризниченко Г.Ю. Кинетика биологических процессов. М.:Изд-во МГУ, 1987. 304 с.

Саати Т. Целочисленные методы оптимизации и связанные с ними экстремальные проблемы. М.:Мир, 1973. 305 с.

Смит У.Х. Лес и атмосфера. М.:Прогресс, 1985. 430 с.

Соловьев В.А., Алексеев А.С., Леплинский Ю.И., Лайранд Н.И. Влияние загрязнения атмосферы на лесные экосистемы. Л.:Изд-во ЛТА, 1989. 48 с.

Трансграничное загрязнение воздуха. Исследование проблем загрязнения воздуха. №4. Европейская экологическая комиссия. Женева. Нью-Йорк, 1988. с.44.

Хакен Г. Синергетика. М.:Мир, 1980. 406 с.

Шведов Ф.Н. Дерево как летопись засух //Метеорологический вестник. № 5. 1892. С.163-178.

Шмидт В.М. Математические методы в ботанике. Л.:Изд-во ЛГУ, 1984. 288 с.

Цветков В.Ф., Лесинский Е.А., Армолайтис К.Э., Пархимович Т.А. Мониторинг состояния лесов Европейского Севера. Методические рекомендации. Архангельск, 1995. 35 с.

Экодинамика и экологический мониторинг Санкт-Петербургского региона в контексте глобальных изменений /Под ред. Кондратьева К.Я., Фролова А.К. СПб.: Наука, 1996. 442 с.

Яблоков А.В. Популяционная биология. М.:Высшая школа, 1987. 303 с.

Ярмишко В.Т. Сосна обыкновенная и атмосферное загрязнение на Европейском Севере. СПб, 1997. 210 с.

Aamlid D.,Skogheim I. Nickel, copper and other metals in berries of cloudberry (Rubus chamaemorus) and bilberry (Vaccinium myrtillus) from South Varanger, north-east Norway, 1992 // Research paper of Skogforsk.1993. ¹ 14.15 p.

Aerial pollution in Kola Peninsula //Proceedings of the International workshop, April 14-16, 1992, St.-Petersburg. Eds.: Kozlov,M.V., Haukioja,E., Yarmishko,V.T. Apatity, 1993. 418 p.

Brooks R.T.. Millers I.. Dickson D.R. Forest health monitoring in the United States: the 1990 experience in New England // IUFRO Workshop on monitoring air pollution impact on permanent sample plots. data processing and results interpretation. Prachatice.2-6 sept. 1991. p.12-21.

Forest condition in Europe. Report on the 1993 survey. UN/ECE, EC, Geneva, Brussels. 1994. 174 p.

Forest condition in Europe. Results of the 1996 crown condition survey. 1997 Technical Report. EC-UN/ECE. Brussels, Geneva. 1997. 138 p.

Forest damage and air pollution. Report of the 1988 forest damage survey in Europe. ECE/UNEP. Geneva.1989. 87 p.

Karoles K. Zustand der Kiefernbestanden in EstlandErgebnisse des Waldschaden-Beobachtungssystems // IUFRO Workshop on monitoring air pollution impact on permanent sample plots, data processing and results interpretation. Prachatice,2-6 sept. 1991. p.22-29.

Manual on methodologies and criteria for harmonized sampling. assessment. monitoring and analisis of the effects of air pollution on forests. Hamburg/Geneva: Programme Co-ordinating Centers/ UN-ECE 1986. 97 pp.

Manual on methodologies and criteria for harmonized sampling. assessment. monitoring and analisys of the effects of air pollution on forests. Hamburg/Prague: Programme Co-ordinating Centers/ UN-ECE 1994. 177 p.

McArthur R.H. Patterns of species diversity // Biol. Rev. 1965. V.40. P.510-533.

McArthur R.H. The Biology of Populations. N.Y.: Wiley.1966. 200 p.

Methods of Dendrochronology: Applications in the Environmental Sciences / Eds Cook E.R., Kairiukstis L.A. Dordrecht; Boston; London: Kluwer Acad. Publ., 1990. 394 p.

Spiecker H., Mielikainen K., Kohl M., Skovsgaard J.P. (eds) Growth trends in European forests. European Forest Institute Research Report No.5. Springer-Verlag. Berlin. Heidelberg. New York. 1996. 372 p.

Theoretical Ecology: Principles and Applications / Ed. by May R.M. Oxford: Blackwell Sci. Publ., 1976. 317 p.

Tree Rings and Environment //Proc. International Dendrochronological Symposium, Ystad, South Sweden, 3-9 sept.1990 / Eds Bartholin T.S., Bjorn B.E., Eckstein D., Schweingruber F. Ystad, 1992. 394 p..

Поиск по сайту: