Кора деревьев как индикатор атмосферного загрязнения

Автор: Еричева Анна, 17 лет

Руководитель:

Кузнецова В.Ф.,инженер-исследователь ВНИИЭФ, к.б.н.

г.Саров, 2013

Введение

Интерес к контролю окружающей среды, в том числе, воздуха, в настоящее время неуклонно растёт. Одной из причин этого является продолжающийся рост техногенных выбросов в окружающую среду. В научной литературе описано много способов мониторинга загрязнения воздушного бассейна. Одним из них является — определение состояния воздуха по рН коры деревьев. Литературных данных по этому методу очень мало, но, несмотря на это, он нас заинтересовал. Мы решили его опробовать на практике и выяснить – можно ли с помощью этого метода определить экологическое состояние атмосферного воздуха на данной территории.

Цель работы: исследование рН коры некоторых пород деревьев на предмет использования этого показателя для мониторинга загрязнения воздуха.

Задачи:

• знакомство с литературой по данной проблеме;
• подбор пород  деревьев;
• выбор фоновой территории  и территории с техногенным загрязнением;
• отбор проб коры и проведение химического анализа;
• набор статистического материала и проведение математической обработки результатов химического анализа;
• проведение сравнительного анализа полученных результатов.

Работа проводилась летом 2012 года на территории г. Сарова. В качестве техногенно-загрязненной территории был выбран район перекрёстка улиц Зернова и Московская, где наблюдается интенсивное автомобильное движение. За фоновую территорию был принят район 3-го Филипповского озера. На выбранных для мониторинга участках был проведен визуальный осмотр произрастающих пород деревьев. Из всех встречающихся здесь видов деревьев выбраны два — сосна обыкновенная и липа мелколиственная, имеющие кислую и нейтральную кору соответственно. Эти породы являются общими  для территорий, на которых мы проводили исследования.

Литературный обзор

1. Источники загрязнения атмосферного воздуха в г. Сарове

В городе Сарове зарегистрировано более 250 предприятий и организаций, имеющих стационарные и передвижные (автотранспорт) источники выбросов.

Более 80 % всех выбросов приходится на автотранспорт [1]. К выбрасываемым вредным веществам выхлопных газов автотранспорта относятся: угарный газ, углеводороды – несгоревшее топливо и оксиды азота, а также сажа. Кроме того, в выхлопных газах содержится токсичное вещество – свинец [2].

Основной вклад в загрязнение атмосферы от стационарных источников вносит теплоэлектроцентраль (ТЭЦ) – 80 % при работе на природном газе. При замене природного газа на уголь и мазут количество выбросов ТЭЦ увеличивается до 98% [1].

Анализ выбросов  трубами ТЭЦ показал, что основным загрязняющим веществом является оксид азота (более 900 тонн в год), в меньшей степени – оксиды серы (более 110 тонн в год), а также зола (около 17 тонн в год) [1].

Таблица 1. Интенсивность движения автотранспорта в г.Сарове в час пик [3]

В работе [3] представлены результаты изучения загрязнения атмосферного воздуха в некоторых точках г. Сарова путём определения рН снежного покрова и измерения интенсивности движения автотранспорта на дорогах города. Полученные результаты свидетельствуют о том, что с увеличением количества транспорта увеличивается pH снега, то есть происходит защелачивание снега, что соответствует имеющимся литературным данным [4]. На фоновой точке были получены минимальные значения pH (6.4-6,8), хотя и они превышают значение pH для чистого снега, которое указывается в литературных данных (рН=5,6) [4]. Данные об интенсивности движения машин на дорогах г.Сарова представлены в таблице 1.

1. рН коры деревьев – показатель загрязнения воздуха

Из литературы известно, что показатель рН является достоверным индикатором качества среды. Этот показатель довольно часто используют при мониторинге загрязнения различных сред: снежного покрова [3. 4], водоемов [4], для определения кислотности почвы [11] и т.д. По определению pH  или Водоро́дный показа́тель — это мера качества водной среды, отражающая ее кислотность или щелочность, и количественно выражает концентрацию ионов водорода в растворе, Вычисляется, как отрицательный десятичный  логарифм  концентрации ионов водорода, выраженной в молях на литр:

pH=-lg[H⁺]

рН выражается в условных единицах. Диапазон рН изменяется от 0 (очень кислотная) до 14 (очень щелочная среда), а 7 – нейтральная среда [5].

Согласно литературным данным кора деревьев бывает бедная минеральными и питательными веществами и богатая ими. Бедная кора, как правило, имеет более низкий показатель рН, и наоборот, богатая — более высокий показатель рН. Такие породы как сосна, ель, берёза, ольха и дуб имеют кислую кору (рН=3,1-3,4). Богатая, или она еще называется субнейтральная кора, имеет рН=4,7-7,1 и наблюдается у вяза, клёна, ясеня, липы, тополя и осины. Свойства коры одной и той же породы могут изменяться  в зависимости от общего геохимического фона. Кислотное загрязнение окружающей  среды ведёт к подкислению коры. При щелочном загрязнении, к которому относятся известковая пыль, зола, рН коры – повышается [6].

Р. Шуберт в своих исследованиях указывает, что рН коры дерева является хорошим методом аккумулятивной биоиндикации. Он представил данные, которые показывают, что под влиянием кислотных выбросов в атмосферу повышается кислотность коры [7].

В работе А.С. Постхумуса  (Posthumus) [8] для определения загрязнения воздуха и изучения его пространственно-временного распределения рассматриваются различные виды растений-аккумуляторов, а также ограничения по их применению, связанные с ростом растений и климатическими условиями. Относительно коры деревьев отмечено, что древесная кора может использоваться в качестве накопителя загрязняющих веществ без каких-либо ограничений, связанных с проблемами  быстрого роста растений.

Работы по мониторингу загрязнения воздуха с помощью коры деревьев проводились в различных городах Европы: в загрязнённом районе Кракова рН коры липы =3,3-4,2; в центре Стокгольма рН коры липы =2,4-2,9; в малозагрязнённом районе Германии рН коры липы = 4,9-5,6. Работы, которые проводились в Эстонии, в условиях умеренного загрязнения, показали, что рН коры липы =4,5-5,6, что почти соответствует естественному состоянию коры, и в одном случае была определена рН = 7,35, где явно наблюдалось локальное пылевое загрязнение [9].

Иб Джонсен (Ib Johnsen) и Ульрик Сочтинг (Ulrik Soching) в 1973 году провели исследование в Копенгагене по влиянию загрязнения воздуха на эпифитные лишайники и свойства коры лиственных деревьев. Эта работа важна для нас с методической точки зрения, т.к. эту методику мы взяли за основу в наших исследованиях.  В своей работе датские учёные отбирали пробы коры с липы, клёна, ясеня и вяза и определяли рН и получили следующие результаты: в центре города рН коры лиственных деревьев варьируется от 2,8 до 3,0, средний показатель равен  2,9. Однако в центре города встречаются и такие места, в которых рН коры имеет аномально-высокие значения, что объясняется загрязнением пылью, которой пропитывается кора деревьев. Исследователи также выявили взаимосвязь низких значений рН коры с обеднением видов лишайников по сравнению с фоновыми районами [10].

Объекты исследований

Объектом наших исследований является кора деревьев. В качестве модельных пород мы выбрали деревья с субнейтральной корой (липа) и кислой корой (сосна). Корой обычно называют наружную, периферическую часть ствола или ветви, более или менее легко отделяемую от внутренней (гораздо более плотной) массы древесины. В ботанике корой у древесных растений называют совокупность специализированных клеток и тканей, находящихся с внешней стороны от камбия и выполняющих защитную и проводящую функции.

Древесная кора образуется из тканей камбия. При делении клеток камбиального кольца, наряду с образованием клеток ксилемы (древесины), к наружной стороне  камбиального кольца формируются  клетки луба (флоэма), которые дифференцируются на 3 типа тканей: проводящую, запасающую и механическую защитную. Наружная часть древесной коры взрослого дерева – корка состоит в основном из мертвых тканей и поэтому физиологически не активна. Кора хвойного дерева имеет более простое строение по сравнению с корой лиственных деревьев [14].

Сосна обыкнове́нная  (Pínus sylvéstrisL.) — вечнозеленое хвойное дерево, которое широко распространено в умеренных широтах Европы и Азии. Относится к роду Сосна (Pinus), семейству Сосновые (Pinaceae). Это дерево имеет высоту 25—40 м и диаметр ствола 0,5-1,2 м. Ствол дерева прямой, крона высоко поднятая, вначале конусовидная, а затем становится округлой, широкой, с горизонтально расположенными в мутовках ветвями.

Кора сосны в нижней части ствола толстая, чешуйчатая, серо-коричневая, с глубокими трещинами. Чешуйки коры образуют пластины неправильной формы. В верхней части ствола и на ветвях кора тонкая, в виде хлопьев, которые легко отшелушиваются, и имеет оранжево-красный цвет.

Хвоинки расположены по две в пучке и имеют длину 4—6 см, толщину 1,5—2 мм. Цвет хвои серо- либо сизовато-зелёный. Продолжительность жизни хвоинок в Средней России, как правило, 2—3 года. Верхняя сторона хвоинок выпуклая, нижняя желобчатая, плотная, с хорошо заметными голубовато-белыми устьичными линиями [5].

Липа мелколистная или Л.сердцевидная (Tilia cordata Mill.) – листопадное дерево  семейства липовых (Tiliaceae). Широко распространено в Европе и Западной Азии. Высота дерева до 30 м, крона шаровидная. Стволы старых деревьев достигают 80 см в диаметре, покрыты темно-серой корой с продольными трещинками.

Листья сердцевидные, расположены на длинных тонких черешках. Цветки желтовато-белые, мелкие, душистые. Продолжительность жизни дерева до 300-400 лет. Очень теневынослива [5].

Методика исследований

В своей работе мы руководствовались методикой, которая представлена в работе Джонсена и Сочтинга (Johnsen and Sochting), 1973 г. [10].

Методика наших исследований состояла из методики отбора проб коры с деревьев, методики определения рН водного настоя проб коры и методики статистической обработки результатов химического анализа.

Основываясь на имеющихся у нас данных об источниках загрязнения атмосферного воздуха в г.Сарове, мы выбрали фоновую и загрязнённую территории. Затем выбрали две породы деревьев: с кислой и субнейтральной корой, которые были бы общими как для фоновой, так и для загрязненной территорий. На выбранных участках осмотрели деревья и выбрали неповрежденные, отдельно стоящие деревья, с прямым стволом, с диаметром стволов не менее 30 см. Выбирали деревья,  отстоящие друг от друга на небольшом расстоянии.

Отбор проб коры:

-пробы коры отбирались по окружности ствола на высоте 1,5 м от земли;

— кора срезалась в виде стружки или пластинок толщиной 0,5-3 мм;

— пробы коры очищались от посторонних примесей, например, лишайников и помещались в бумажные пакеты;

Отбор проб коры

Подготовка проб коры для анализа:

— кора высушивалась на воздухе при комнатной температуре;

— высушенная кора измельчалась до состояния порошка с помощью кофемолки;

-измельченная кора взвешивалась на лабораторных весах, и отбирались пробы в количестве 2 г.

Образец коры сосны

Образец коры липы

Измерение рН коры:

-подготовленные измельченные пробы коры массой 2г заливалась дистиллированной водой в количестве 20 мл;

— каждая проба периодически перемешивалась в течение 5 часов (вручную и с помощью магнитной мешалки);

— пробы оставляли отстаиваться;

— измерение рН раствора проводилось через 24 часа с помощью электронного портативного рН — метра «Checker», имеющего диапазон измерения от 1 до 14 единиц рН и с разрешением  0,01 рН.

Измерение рН

Cтатистическая обработка

-для обработки результатов химического анализа были использованы простейшие статистические методы [12, 13] и программа Excel.

Результаты исследований

Мы отобрали и проанализировали по 20 проб коры  сосны и липы с фоновой территории (район третьего Филипповского озера) и по 3 пробы коры  сосны и липы, отобранных с загрязненной территории (перекрёсток улицы Зернова и Московской), где наблюдается интенсивное автомобильное движение=2764 машин/час, см.табл.1. Полученные результаты определения рН коры представлены в таблицах 2 и 3.

Таблица 2 — определение рН коры деревьев на фоновой территории (район третьего Филипповского озера)

Таблица 3 – определение рН коры деревьев с загрязненной территории (перекрёсток улицы Зернова и Московской)

Проведена статистическая обработка результатов химического анализа,  получены следующие показатели:  средние значения рН коры липы и сосны на  фоновой и загрязненной территориях, см. таблицы 2 и 3.

Для фоновой территории определено среднее квадратическое отклонение (стандартное отклонение) σ, которое отражает то, насколько полученные значения рН коры отличаются от средних показателей; вычислена ошибка среднего значения m = , где σ – среднее квадратическое отклонение, n-количество проб. Полученные результаты представлены в таблице 4.

Таблица 4 – статистические показатели определения рН коры деревьев на фоновой территории

Определена  существенность различия (t) между средними показателями рН коры липы и сосны на  фоновой территории. Существенность различия (t)  определялась по формуле:

v\:* {behavior:url(#default#VML);}
o\:* {behavior:url(#default#VML);}
w\:* {behavior:url(#default#VML);}
.shape {behavior:url(#default#VML);}

Где — среднее значение рН коры липы, — среднее значение рН коры сосны, -ошибка разности средних показателей рН коры липы и сосны;

, где m₁ и m₂ – ошибки средних значений рН коры липы и сосны.

Мы получили, что показатель существенности различий средних значений рН коры липы и сосны равен 7,02. Считается, что при малом числе наблюдений (от 5 до 30) разница между средними показателями является существенной, если коэффициент достоверности различия t удовлетворяет требованиям:

Сопоставление  полученных результатов показывает:

7,03>3,38.

Отсюда следует, что разница между рН коры липы и сосны на фоновой территории – существенна. Таким образом, для геохимического фона нашего региона рН коры липы = 4,35±0,07; рН коры сосны = 3,82±0,03.

Сравнение полученных показателей рН коры липы и сосны с фоновой территории (4,35 и 3,82) и с техногенно-загрязненной территории (6,10 и 4,87) показало, что в данной местности преобладают загрязнители, имеющие щелочной характер, что вызывает защелачивание коры деревьев.

Полученные значения рН коры соответствуют литературным данным в том плане, что кора сосны более кислая, чем у липы. Полученные показатели рН коры липы для фоновой и загрязненной территорий (4,35;  6,10) также соответствуют литературным данным для ряда европейских стран (4,7-7,1).

Сравнение значений рН коры сосны, полученных нами для фоновой и загрязненной территорий  (3, 82; 4,87) и литературных данных (3,1-3,4) указывает на более щелочной характер коры сосны в нашем регионе.

Полученные нами результаты по мониторингу загрязнения воздуха г. Сарова с помощью коры деревьев, которые  указывают на его  щелочной характер, согласуются с результатами работы по мониторингу загрязнения воздуха нашего города с помощью снежного покрова [3], 2011г. Определение рН снега показало, что с увеличением количества автотранспорта на дорогах, увеличивается pH снега, то есть происходит защелачивание снега, и даже на фоновой территории в г.Сарове снег более щелочной (pH =6.4-6,8) по сравнению с имеющимися литературными данными для чистого снега =5,6.

ВЫВОДЫ

Для геохимического фона нашего региона рН коры липы = 4,35±0,07; рН коры сосны = 3,82±0,03.

На фоновой территории рН коры сосны существенно отличается от рН коры липы; кора сосны  более кислая, чем у липы.

Использование коры как сосны, так и липы указывает на щелочной характер загрязнения воздуха г.Сарова, что соответствует результатам предыдущих исследований с применением других индикаторов.

Таким образом, кора деревьев может использоваться для мониторинга загрязнения атмосферного воздуха.

Список литературы:

1. Авторы-составители: Л. Н. Шляпугина, И. Е. Морозова,  М. В. Першина. Доклад о состоянии окружающей среды и природных ресурсов ЗАТО город Саров в 2006 году. / Саров: Администрация г. Сарова, 2007. – 38 С.
2. Панькина Н., Горбачева Т. Использование спектрального анализа для изучения загрязнения снежного покрова на территории школ г. Сарова. Исследовательская работа.  – Саров: ЦВР, 2001. –20 С.
3. Пикулева В. Загрязнение снежного покрова на территории города Сарова. Исследовательская работа.  – Саров: ЦВР, 2012. –15 С.
4. Методические рекомендации по обследованию водоёмов. Авторы-составители: Е.В.Орлов, С.Б. Шустов, К. А. Орлова. — Нижний Новгород: Экологический центр «Дронт», 1994. – с. 28-29.
5.   http://ru.wikipedia.org/wiki/
   6. Мартин Л.Н. и Нильсон Э.М. Устойчивость эпифитных лишайников           в различных условиях загрязнения /Биогеохимические аспекты      криптоиндикации.-Таллин, 1982.

7. Биоиндикация загрязнений наземных экосистем /Под ред. Р.Шуберта.-М.: Мир, 1988. — 248 с.

8. Постхумус  Адам С. Мониторинг состояния и воздействия загрязнения атмосферы /Загрязнение воздуха и жизнь растений. Под ред. Майкла Трешоу.-Ленинград, Гидрометеоиздат, 1988, с.105.

9. Лийв С.Э. Распределение эпифитных лишайников и свойства коры деревьев г.Вильянди / Биогеохимические аспекты криптоиндикации.-Таллин, 1982.

10. Johnsen Ib and Soching Ulrik «Influence of air pollution on the epiphyticlichen vegetation and bark properties of deciduous trees in the Copenhagen area.» (OIKOS 24:344-351. Copenhagen 1973).
11. Матерна Я. Воздействие атмосферного загрязнения на природные  экосистемы /Загрязнение воздуха и жизнь растений. Под ред. Майкла Трешоу.-Ленинград, Гидрометеоиздат, 1988, с.447.
12. Простейшие методы статистической обработки результатов экологических исследований: Методическое пособие. Составитель А.С. Боголюбов – М.:Экосистема, 1998.- 17с.
13. Дворецкий М.Л. Пособие по вариационной статистике. –М.: Лесная промышленность, 1971.
14. http://www.technologywood.ru