Россия
На территории г. Ангарска проводились исследования стабильности развития древесных растений (берёза). На основе измерения системы морфологических признаков и расчета интегрированного показателя флуктуирующей асимметрии (ИПФА) сделана оценка экологического состояния атмосферы городской среды
экологическое состояние окружающей среды, природный каркас города Ангарска, перенос загрязняющих веществ
Определение флуктуирующей асимметрии (ФА) относится к оценке состояния среды, которая, как и опирающийся на санитарно-гигиеническое нормирование традиционный подход [2, 3], может использоваться для оценки экологического состояния окружающей среды. Наша задача – оценить экологическое состояние воздушной среды г. Ангарска и сравнить полученные результаты с аналогичными оценками на основе санитарно-гигиенического подхода.
Исследование ФА листьев березы повислой (Betula pendula Roth.) проводили в 2002 г. в 13 точках, 2011-12 гг. в 22 точках на территории жилой застройки г. Ангарска, расположенного между рекой Ангара и ее притока р. Китой. Природно-рекреационный каркас города включает в себя отдельные массивы сосновых лесов с примесью лиственных пород (береза и осина), которые относятся к коренным, с преимуществом в основном ярусе лесостоя сосны. За время существования города природный каркас территории претерпел значительные структурные и пространственные изменения, что привело к преобладанию в основном одноярусного древостоя со слабой выраженностью подлеска и обеднением видового состава травостоя.
Для определения флуктуирующей асимметрии измеряли морфологические признаки листьев березы согласно существующей методике [2] (рисунок 1).
На основе отдельных структурных признаков провели расчёт интегрированного показателя флуктуирующей асимметрии (ИПФА) по приведённой разности согласно формуле 1:
ИПФА = (1)
где i-й – лист; j-й – признак; n, m – количество признаков и листьев; L, R – величина признаков левой и правой половины листа.
При определении асимметрии руководствовались методическими рекомендациями [4].
Рисунок 1 – Морфологические признаки флуктуирующей асимметрии листьев березы повислой
Все промеры были проведены по фотографиям с применением измерительных инструментов (штангенциркуль, транспортир, курвиметр). Все измерения проводились с точностью до 0,5 мм, углы измеряли с точностью до 1 градуса. Полученные показатели вносились в таблицы, составленные в программе Excel. Всего было проведено измерений по морфологическим признакам: в 2002 г. – 1108 штук (5540 измерений), а в 2011-12 гг. – 1012 штук (5060 измерений). Статистическая обработка материалов выполнялась с использованием программы Statistica v5.5.
Степень загрязнения атмосферы населённых пунктов в значительной степени определяется также ветровой активностью и формируемой ею скоростью переноса загрязняющих веществ, и устойчивостью атмосферы. На территории г. Ангарска в основном преобладают воздушные потоки северо-западного и юго-восточного направлений ветров. Наряду с этим ветры северо-западного, северо-северо-западного и северного направления типичны для циклонического типа погоды. Повторяемость данных ветров с высокими величинами таких видов скоростей, как средняя годовая (5–6 м/с), максимальная средняя (17–19 м/с) и мгновенная (24–26 м/с) составляет более 40% годового цикла [1]. Преобладающие юго-восточные, восточно-юго-восточные и восточные ветры обладают минимальными (до 1 м/с) по сравнению с северо-западными ветрами величинами различных видов скоростей. При северо-западных ветрах загрязненный воздух выносится за пределы промышленной площадки основного градообразующего предприятия г. Ангарска – АО «АНХК» – на расстояния более одного километра [1]. Юго-восточные ветры в свою очередь выносят загрязненный воздух на территорию северной части жилой застройки г. Ангарска. При этом юго-восточные и южные ветры имеют закономерные колебания скорости со снижением ее в дневные часы суток. Одновременно со снижением скорости ветра его направление меняется на восточное. Как мы видим, ветры несут ответственность за распространение загрязненного воздуха в жилых районах города, особенно в вечернее и ночное время (от 1 до 4–5 часов), загрязняют атмосферу и различные районы города. Юго-восточный ветер «тянет» загрязненный воздух не только от промышленного предприятия АО «АНХК», но и от ТЭЦ-10 «Иркутскэнерго» на юго-восточную часть жилых массивов города Ангарска. Обзор официальных документов [2], оценивающих экологическое состояние атмосферы г. Ангарска, подтвердил о загрязнении воздушной среды в годы измерения ФА. Также по девяти веществам отмечалось превышение ПДКмр, особенно существенное по бенз(а)пирену, формальдегиду, диоксиду азота и оксиду углерода.
На рисунке 2 показаны min и max каждого из пяти показателей в годы наблюдений признаков флуктуирующей асимметрии листьев березы. Темные столбики – минимум, светлые – максимум морфологического признака
Как видим, скорость изменения отдельных морфологических признаков в 2002 г. составляла 1,3–1,8, а в 2011-12 гг. она увеличилась до 1,7–2,3.
Показатель ФА по каждому из морфологических признаков сравнили с квалиметрической шкалой [5], согласно которой значение ФА более 0,054 соответствует категории «сильное, экстремальное загрязнение». Сравнение показало, что дестабилизация развития листьев березы отмечалась уже в 2002 г., она продолжилась в последующие годы, а по отдельным признакам даже усилилась, поскольку увеличилась кратность различий минимальных и максимальных величин ФА в 2011-12 гг.
С целью определения того, какой из пяти морфологических показателей больше других отклонялся от стандарта, принятого в соответствии с квалиметрическим измерением, и составлял менее 0,040, изучали долю значений ФА, соответствующих этому стандарту (таблица 1).
Рисунок 2 – Пределы изменения морфологических признаков, характеризующих флуктуирующую асимметрию листьев березы, растущей на территории г. Ангарска, в 2002 (а) и 2011-12 гг. (б)
Интегрированный показатель флуктуирующей асимметрии, рассчитанный в 2002 и 2011-2012 гг., изменялся в пределах 0,071–0,104, что существенно превышало его максимум по квалиметрической шкале [5], соответствующий категории «сильное, экстремальное загрязнение». Значения ИПФА листьев березы повислой, произрастающей в пределах жилых массивов г. Ангарска, частично соответствуют результатам, полученным для того же вида в условиях г. Братска [6]. Однако в г. Ангарске зафиксирован максимальный интегральный показатель ФА, тогда как в г. Братске ИПФА оказался меньше, достигнув 74,1 и 83,8% от самых высоких значений показателя, зафиксированных в г. Ангарске.
Несмотря на то, что при определении описательных статистик в 2002 и 2012 гг. объем выборок был значительным (335–465 и 360–665 значений соответственно) по сравнению с 2011 г. (90–130 значений), в обоих случаях была получена достаточно сильная изменчивость ИПФА, характеризуемая коэффициентом вариации. По-видимому, значительное варьирование показателей флуктуирующей асимметрии, регистрируемое на больших и малых по объему выборках, свидетельствовало о нестабильности развития ассимилирующих органов березы, обусловленной антропогенными факторами, характерными для экологических условий урбосреды г. Ангарска.
Общим моментом, установленным в результате статистического анализа в годы наблюдений (2002, 2011-12 гг.), было то, что точки со средними значениями ИПФА, не имевшими достоверных различий между собой, ограничивали части территории жилой застройки г. Ангарска, располагающиеся к западу или юго-западу относительно точек, средние величины ИПФА которых имели таковые различия (рисунок 3).
Рисунок 3 – Объединение точек, в которых средние интегральные показатели флуктуирующей асимметрии листья березы, растущей в пределах жилой застройки г. Ангарска, не имели достоверных различий
Таким образом, по данным биоиндикации листьев березы методом определения их динамической асимметрии экологическое состояние атмосферы в городе Ангарске оценено на разных уровнях категории «сильное, экстремальное загрязнение». Это не согласуется с оценкой, сделанной на основе традиционного метода чистоты и гигиены, который показывает естественное состояние воздушной среды города на уровне нормативного загрязнения. При исследовании ИПФА в различных точках территории жилой застройки г. Ангарска как в 2002, так и 2011-12 гг. оказалось, что наиболее низкой степенью «сильного, экстремального загрязнения» атмосферы города характеризовались его части, расположенные ближе к правому берегу р. Китой.
Таблица 1 – Доля соответствующих норме значений морфологических признаков
асимметрии листьев березы, растущейна територии г. Ангарска
|
№ точки
|
Доля значений признака асимметрии, % |
№ точки
|
Доля значений признака асимметрии, % |
||||||||
|
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
||
|
1a
|
57,5
|
66,7
|
1,1
|
6,9
|
49,4
|
5
|
40,0
|
55,0
|
0
|
0
|
50,0
|
|
2b
|
44,7
|
72,4
|
1,3
|
1,3
|
55,3
|
7
|
41,2
|
64,7
|
0
|
35,3
|
47,1
|
|
3c
|
41,2
|
52,9
|
4,7
|
2,4
|
34,1
|
8
|
40,9
|
31,8
|
0
|
9,1
|
40,9
|
|
4d
|
45,7
|
46,7
|
3,3
|
2,2
|
50,0
|
9
|
45,5
|
77,3
|
0
|
27,3
|
68,2
|
|
5e
|
50,0
|
54,3
|
0
|
4,3
|
40,2
|
10
|
15,8
|
42,1
|
0
|
0
|
63,2
|
|
6f
|
43,3
|
55,2
|
0
|
0
|
34,3
|
11
|
55,5
|
22,2
|
5,6
|
0
|
55,5
|
|
7g
|
52,8
|
51,7
|
0
|
6,7
|
41,6
|
12
|
46,2
|
50,0
|
3,6
|
11,4
|
61,5
|
|
8h
|
60,7
|
53,6
|
1,2
|
4,8
|
41,7
|
13
|
50,0
|
70,0
|
0
|
0
|
80,0
|
|
9i
|
39,4
|
53,2
|
1,1
|
4,3
|
50,0
|
14
|
50,0
|
64,5
|
0,9
|
14,5
|
52,7
|
|
10j
|
30,2
|
41,9
|
0
|
3,5
|
43,0
|
15
|
53,9
|
67,6
|
3,9
|
8,8
|
55,9
|
|
11k
|
56,8
|
61,7
|
1,2
|
4,9
|
49,4
|
16
|
47,3
|
68,8
|
0
|
4,3
|
48,4
|
|
12l
|
50,6
|
56,5
|
0
|
0
|
48,2
|
18
|
48,6
|
66,7
|
5,6
|
31,9
|
51,4
|
|
13m
|
53,8
|
61,5
|
0
|
0
|
33,0
|
19
|
47,2
|
66,7
|
2,8
|
31,9
|
52,8
|
|
2
|
78,9
|
47,4
|
5,3
|
10,5
|
61,2
|
20
|
64,4
|
75,3
|
1,0
|
1,0
|
49,3
|
|
3
|
44,4
|
83,3
|
0
|
11,1
|
66,7
|
21
|
52,5
|
71,3
|
0,0
|
15,0
|
56,3
|
|
4
|
61,1
|
66,7
|
0
|
5,6
|
61,1
|
22
|
48,1
|
62,4
|
2,3
|
5,3
|
44,4
|
Примечание: в таблице первые 13 точек соответствуют 2002 г., а остальные – 2011-12 гг.
1. Воробьев Е.И., Прусаков В.М., Душутин К.К. Охрана атмосферы и нефтехимия. Л.: Гидрометеоиздат, 1985. 231 с.
2. Государственный доклад «О со-стоянии окружающей среды Иркутской области в 2009 году». – Иркутск, 2010. – 585 с.
3. Захаров В.М. Онтогенез и популяция (стабильность развития и популяционная изменчивость) // Экология. 2001. № 3. С. 177–191.
4. Методические рекомендации по выполнению оценки качества среды по со-стоянию живых существ (оценка стабильности развития живых организмов по уровню асимметрии морфологических структур) / МПР РФ; Введ. 16.10.03. № 460-Р. М., 2003. 24 с.
5. Костромина О.А. Экологическая оценка состояния лиственных древостоев в зонах техногенного воздействия. Автореф. … канд. с/х наук. Специальность 03.00.16 – «Экология». – 2009. – 22 с.
6. Рунова Е.А., Костромина О.А. Оценка техногенного загрязнения по показателю флуктуирующей асимметрии березы повислой (Betula pendula Roth.) в окрестностях г. Братска // Вестник Крас-Гау. 2007. № 6 (21). С. 121–127.
