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/м³в течение 8 ч или при 1820 мкг/м³в течение 1 ч. В лесных массивах концентрация диоксида серы не превышает 20 биологических доз (б. д.),¹но 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.