Ecological monitoring of landscape technogenic neoplasms

Full Text

Введение Под ландшафтным техногенным новообразованием (шахтный породный отвал) понимается земельный комплекс, сочетающий в себе природные и антропогенно трансформированные компоненты, которые полностью разрушили или существенно видоизменили природный ландшафт [1]. Ввиду своих физических и химических характеристик шахтные породные отвалы относятся к категории ландшафтных техногенных новообразований, что является наиболее характерным для Донбасского региона. Основные отличительные признаки породных отвалов как ландшафтных техногенных новообразований: - биологический круговорот элементов в значительной мере нарушен, определяющим видом является техногенная миграция; - площади, занимаемые отвалами, непрерывно возрастают за счет уменьшения территорий, занятых биогенными и абиогенными естественными ландшафтами; - отвалы являются отходами добычи минерального сырья (каменного угля); - основные и основополагающие процессы отвала как экосистемы происходят в почве. Экологический мониторинг ландшафтных техногенных новообразований - комплекс наблюдений за текущим состоянием и прогнозирование дальнейших изменений в состоянии атмосферного воздуха, поверхностных вод, радиационной обстановки, состоянии почв, флоры, фауны и здоровья населения на территории ландшафтного техногенного новообразования и в прилегающих районах. Мониторинг состояния атмосферного воздуха должен проводиться на стационарных постах наблюдения и включать расчет критических нагрузок (потоков массы на единицу времени) и фактические показатели концентраций загрязняющих веществ (отсутствие превышения критических уровней). Мониторинг состояния поверхностных вод включает изучение гидродинамических и гидрохимических процессов, определяющих состояние и динамику поверхностной гидросферы. Мониторинг радиационной обстановки должен осуществляться на гидрометеостанциях с ежесуточным измерением мощности экспозиционной дозы уровня гамма-излучения. Мониторинг состояния почв с использованием учетных площадок включает изучение продуктивности почв на отвале и прилегающих территориях, содержание гумуса, наличие эрозий, загрязнение и затопление почв. Мониторинг состояния флоры на отвалах и прилегающих территориях - это наблюдения за состоянием надземной и корневой частей растений, их ассимилирующего аппарата, приростом растений и распространением ареалов видов, их устойчивостью к воздействию загрязнителей и жизненным циклом. Мониторинг фауны в районе расположения породных отвалов представляет собой изучение количества, видового состава, разнообразия, жизненного цикла фауны. Мониторинг состояния здоровья населения основан на расчете рождаемости, смертности, заболеваемости, численности и плотности населения, процентного соотношения разных возрастных групп. По данным Министерства угля и энергетики ДНР, на территории Республики насчитывается около 800 породных отвалов, часть из которых расположены на административных территориях городов Донецк (144), Макеевка (118), Шахтерск (69) и Торез (67). Техногенная нагрузка в Донбассе в 5-10 раз выше средней. Общая площадь техногенных объектов на территории некоторых городов области достигает 10 % и более от их площади. В качестве модельного выбран отвал шахты № 5/6 им. Димитрова, находящийся в одном из центральных районов г. Донецка, на пересечении двух магистральных проспектов - Дзержинского и Ильича. Отвал шахты № 5/6 начали эксплуатировать в 1915 г., а остановили в 1967 г., после 52 лет эксплуатации, исключая период ВОВ и послевоенного восстановления (1941-1954 гг.). Первоначально отвал имел 4 конусные вершины высотой до 48 м, общий объем породы составлял более полутора миллионов тонн. Площадь основания - 58 000 м2, объем отходов - 900 тыс. м2. Горение отмечалось отдельными участками с самого начала отсыпки. В настоящее время форма отвала - неправильный конус [8]. Порода на отвале слабовыветренная, состоит из обломков породы разных размеров. Содержание фракции менее 1 мм от 11 до 27 %. Порода находится в стадии окисления. Древесным зеленым растениям помимо процесса фотосинтеза особенно свойственны такие важнейшие функции, как климатообразующая, шумопоглощающая, фитонцидная, эстетическая и др. Зеленые насаждения, используемые при рекультивации породных отвалов, создаются с целью поглощения токсикантов из породы, поглощения шумовых волн (снижают уровень шума примерно на 20 %) [4; 9; 10; 12; 17]. Воздействие атмосферного загрязнения на растительность - биохимическое явление, затрагивающее в первую очередь метаболические и физиологические процессы и разрушающее микроскопические структуры клеток листа. Основным диагностическим признаком повреждения растений являются хлорозы и некрозы листовых пластинок. Наличие тех или иных диагностических симптомов повреждения растений позволяет, хотя и не всегда, осуществить индикацию, опознавание фактора (или факторов), вызвавшего данное повреждение [17]. Инвентаризация зеленых насаждений породного отвала дает возможность оценить состояние зеленых насаждений и самого объекта озеленения, оценить эффективность рекультивационных мероприятий, а также определить степень поврежденности древесной растительности на угольном отвале [15]. Цель исследования - мониторинг состояния зеленых насаждений модельного техногенного ландшафтного новообразования (породного отвала ш. 5/6 им. Димитрова, находящегося в черте г. Донецка, ДНР). Задачи исследования: инвентаризация зеленых насаждений и самого объекта озеленения, оценка эффективности рекультивационных мероприятий, определение степени поврежденности древесного растительного покрова на породном отвале, анализ по экологическим группам, визуальная оценка следующих диагностических признаков ОЖС: густота кроны (в % от нормальной густоты), наличие на стволе мертвых сучьев (в % от общего количества сучьев на стволе) и степени повреждения листьев токсикантами, патогенами и насекомыми (средняя площадь некрозов, хлорозов и объеданий в % от площади листа), оценка темпов роста, степени развития, визуальных аномалий и повреждения, поражения патогенными насекомыми и микроорганизмами. Материалы и методы исследования Рекультивация отвала была выполнена по проекту Донецкого ботанического сада в 1977-1979 гг, с объединением нескольких разновозрастных конических отвалов в плоский многоярусный отвал и его биологической рекультивацией. С тех пор рекультивационные насаждения развились и стали определяющим фактором развития экосистем отвала. Также тут проводилось испытание новых видов фиторекультивантов, что в итоге приблизило эти насаждения по видовому составу и декоративности к региональным парковым насаждениям [8]. Основные растения, произрастающие на отвале: - северо-восточный склон (условно северный): акация белая - Robinia pseudoacacia L., вяз приземистый - Ulmus pumila L., ясень пенсильванский - Fraxinus pennsylvanica Marsh., клен ясенелистный - Acer negundo L., айлант высочайший - Ailanthus altissima Mill.; - юго-восточный склон (условно южный): акация белая - Robinia pseudoacacia L., клен татарский - Аcer tataricum L.; бирючина обыкновенная - Ligustrum vulgare L., боярышник сглаженный - Crataegus laevigata Poir., клен остролистный - Acer platanoides L., клен ясенелистный - Acer negundo L., айлант высочайший - Ailanthus altissima Mill. Инвентаризация зеленых насаждений проводилась в соответствии с Методикой инвентаризации городских зеленых насаждений [14]. Для определения относительного жизненного состояния (ОЖС) древостоя была взята методика В.А. Алексеева [3]. Для более детальной характеристики ОЖС деревьев использовались вспомогательные характеристики [3]. Состояние насаждений характеризовалось по признакам [3]: - «хорошее» - насаждения здоровые, с хорошо развитой кроной, без существенных повреждений; - «удовлетворительное» - насаждения здоровые, но с неправильно развитой кроной, со значительными, но не угрожающими их жизни ранениями или повреждениями, с дуплами и др.; - «неудовлетворительное» - насаждения с неправильной и слабо развитой кроной, со значительными повреждениями, ранениями, зараженностью болезнями или вредителями, угрожающими их жизни. Результаты исследования и их обсуждение Породный отвал ш. 5/6 разделили условно на учетные участки. Первый учетный участок представляет групповая посадка Robinia pseudoacacia L., второй участок - одиночные экземпляры Аcer tataricum L., третий участок - групповая посадка Ligustrum vulgare L., четвертый участок - одиночные экземпляры Crataegus laevigata Poir., пятый участок - групповая посадка Ulmus pumila L., шестой участок - групповая посадка Betula pendula Roth, седьмой участок - одиночные экземпляры Acer negundo L., восьмой участок - одиночные экземпляры Quercus rubra L., девятый участок - одиночные экземпляры Rosa cinnamomea L., десятый участок - одиночные экземпляры Syrínga vulgáris L., одиннадцатый участок - одиночные экземпляры Fraxinus pennsylvanica Marsh., двенадцатый участок - групповой самосев Ailanthus altissima Mill., тринадцатый участок - одиночные экземпляры Prunus armeniaca L., четырнадцатый участок - одиночные экземпляры Sorbus intermedia Ehrh., пятнадцатый участок - одиночные экземпляры Quercus robur L., шестнадцатый участок - одиночные экземпляры Prunus avium L., семнадцатый участок - одиночные экземпляры Malus sylvestris L., восемнадцатый участок - одиночные экземпляры Juglans regia L., девятнадцатый участок - одиночные экземпляры Populus alba L., двадцатый участок - групповая посадка Rhus typhina L., двадцать первый участок - групповой самосев Cornus mas L., двадцать второй участок - одиночные экземпляры Symphoricarpos albus Dill., двадцать третий участок - одиночные экземпляры Prunus mahaleb L., двадцать четвертый участок - одиночные экземпляры Prunus cerasifera Ehrh. На каждом учетном участке проводились измерения расстояний между деревьями (кустарниками), определялось отношение их относительно друг друга, присваивался порядковый номер участка (выборка до 10 деревьев при групповой и рядовой посадке) [15]. Учитывались следующие данные: вид насаждений (групповая, рядовая посадка, одиночные экземпляры); порода (род, вид); состояние насаждений. Спектр жизненных форм растений (по К. Раункиеру) показал, что 48 % от числа выявленных видов приходится на мезофанерофиты (11 видов) и микрофанерофиты представлены 52 % (13 видов). Жизненные формы древесных растений определяли по И.Г. Серебрякову [15]. На исследуемой территории в наличии деревья Ι величины, характеризующиеся высотой от 25 м (Betula pendula Roth., Fraxinus pennsylvanica Marsh., Ailanthus altissima Mill., Fraxinus pennsylvanica Marsh., Quercus robur L., Juglans regia L., Populus L.), и кустарники высотой 0,5-5 м (Аcer tataricum J., Ligustrum vulgare L., Crataegus laevigata Poir., Rosa cinnamomea L., Syrínga vulgáris L., Rhus typhina L., Cornus mas L., Symphoricarpos albus Dill.). Деревья ΙΙΙ величины (высотой до 15 м) представлены 5 видами (Ulmus pumila L., Prunus armeniaca L., Malus sylvestris L., Prunus mahaleb L., Prunus cerasifera Ehrh.). Реже встречаются деревья ΙΙ величины (высотой от 10 до 25 м) (Acer negundo L., Sorbus intermedia Ehrh., Prunus avium L.). Анализ распределения растений по экологическим группам по отношению к влаге [12] показал, что на долю мезофитов приходится 50 % от общего числа видов. Ксерофиты составляют 30 %, которые представлены тремя видами. Согласно классификации Г.Р. Эйтингена[46], по требовательности растений к освещенности, в древостое преобладают теневыносливые растения - 60 % от общего числа видов. Группы полутеневыносливых и светолюбивых растений представлены 40 % от общего количества. Результаты инвентаризации зеленых насаждений породного отвала приведены в таблице. В результате инвентаризации выявлено, что преобладающее большинство зеленых насаждений породного отвала находятся в неудовлетворительном состоянии. В процентном соотношении от выборки это отображено на диаграмме (рис. 1). Реже встречаются такие повреждения, как открытые прорости, однобокость кроны и механические повреждения. Результаты инвентаризации зеленых насаждений породного отвала Учет. участок Вид насаждений Порода (род, вид) Кол-во стволов Состояние Примечания (повреждения, особые признаки) 1 Групповая посадка Robinia pseudoacacia L. 1-3 Неудовл. Наличие дупла, хлороз, пестролистность, гипогенезия побега и листа 2 Одиночные экземпляры Аcer tataricum L. 1-5 Неудовл. Пестролистность, гипогенезия побега и листа, поражения побега 3 Групповая посадка Ligustrum vulgare L. 15 Неудовл. Хлороз, пестролистность, нетипичный альбинизм, некроз 4 Одиночные экземпляры Crataegus laevigata Poir. 1-10 Неудовл. Неправильно развиты побеги 5 Групповая посадка Ulmus pumila L. 1-3 Неудовл. Пестролистность, хлороз, поражения побега 6 Групповая посадка Betula pendula Roth 1-3 Неудовл. Неправильно развита крона 7 Одиночные экземпляры Acer negundo L. 1-3 Неудовл. Неправильно развита крона, поражения кроны 8 Групповая посадка Quercus rubra L. 1-3 Неудовл. Гипогенезия побега 9 Одиночные экземпляры Rosa cinnamomea L. 1-20 Неудовл. Неправильно развиты побеги, недоразвиты побеги и листья, хлороз 10 Одиночные экземпляры Syrínga vulgáris L. 1-5 Удовл. Гипогенезия побега 11 Одиночные экземпляры Fraxinus pennsylvanica Marsh. 1-3 Удовл. Неправильно развитая крона 12 Групповой самосев Ailanthus altissima Mill. 1 Неудовл. Поражения побега 13 Одиночные экземпляры Prunus armeniaca L. 1-3 Неудовл. Поражения побега 14 Одиночные экземпляры Sorbus intermedia Ehrh. 1-5 Удовл. Гипогенезия побега 15 Одиночные экземпляры Quercus robur L. 1-3 Неудовл. Неправильно развитая крона 16 Одиночные экземпляры Prunus avium L. 1-6 Удовл. Гипогенезия побега 17 Одиночные экземпляры Malus sylvestris L. 1-3 Неудовл. Поражения побега 18 Одиночные экземпляры Juglans regia L. 1-3 Удовл. Гипогенезия побега 19 Одиночные экземпляры Populus alba L. 1 Неудовл. Неправильно развитая крона 20 Групповая посадка Rhus typhina L. 1-5 Удовл. Гипогенезия побега 21 Групповой самосев Cornus mas L. 1-10 Удовл. Гипогенезия побега 22 Одиночные экземпляры Symphoricarpos albus Dill. 1-15 Удовл. Гипогенезия побега 23 Одиночные экземпляры Prunus mahaleb L. 1 Неудовл. Поражения побега 24 Одиночные экземпляры Prunus cerasifera Ehrh. 1 Удовл. Гипогенезия побега Источник: составлено Д.А. Достоваловой. The results of the inventory of green spaces of the rock dump Registration sites Type of plantings Breed (genus, species) Number of barrels Condition Notes (damage, special signs) 1 Group boarding Robinia pseudoacacia L. 1-3 Unsatisfactory The presence of a hollow, chlorosis, variegated foliage, hypokinesia of the shoot and leaf 2 Single copies Аcer tataricum L. 1-5 Unsatisfactory Variegated foliage, hypoginesia of the shoot and leaf, shoot lesions 3 Group boarding Ligustrum vulgare L. 15 Unsatisfactory Chlorosis, variegation, atypical albinism, necrosis 4 Single copies Crataegus laevigata Poir. 1-10 Unsatisfactory Shoots are improperly developed 5 Group boarding Ulmus pumila L. 1-3 Unsatisfactory Variegated foliage, chlorosis, shoot lesions 6 Group boarding Betula pendula Roth 1-3 Unsatisfactory The crown is improperly developed 7 Single copies Acer negundo L. 1-3 Unsatisfactory The crown is improperly developed, crown lesions 8 Group boarding Quercus rubra L. 1-3 Unsatisfactory Hypoginesia of escape 9 Single copies Rosa cinnamomea L. 1-20 Unsatisfactory Shoots are improperly developed, underdeveloped shoots and leaves, chlorosis 10 Single copies Syrínga vulgáris L. 1-5 Unsatisfactory Hypoginesia of escape 11 Single copies Fraxinus pennsylvanica Marsh. 1-3 Satisfactory The crown is improperly developed 12 Group boarding Ailanthus altissima Mill. 1 Unsatisfactory Escape defeats 13 Single copies Prunus armeniaca L. 1-3 Unsatisfactory Escape defeats 14 Single copies Sorbus intermedia Ehrh. 1-5 Satisfactory Hypoginesia of escape 15 Single copies Quercus robur L. 1-3 Unsatisfactory The crown is improperly developed 16 Single copies Prunus avium L. 1-6 Satisfactory Hypoginesia of escape 17 Single copies Malus sylvestris L. 1-3 Unsatisfactory Escape defeats 18 Single copies Juglans regia L. 1-3 Satisfactory Hypoginesia of escape 19 Single copies Populus alba L. 1 Unsatisfactory The crown is improperly developed 20 Group boarding Rhus typhina L. 1-5 Satisfactory Hypoginesia of escape 21 Group self-seeding Cornus mas L. 1-10 Satisfactory Hypoginesia of escape 22 Single copies Symphoricarpos albus Dill. 1-15 Satisfactory Hypoginesia of escape 23 Single copies Prunus mahaleb L. 1 Unsatisfactory Escape defeats 24 Single copies Prunus cerasifera Ehrh. 1 Satisfactory Hypoginesia of escape Source: compiled by D.A. Dostovalovа. Средний балл состояния для каждого вида деревьев вычисляется по формуле (1) где - баллы состояния отдельных деревьев; - общее число учтенных деревьев j-гo вида. Коэффициент состояния древостоя в целом определяется как среднее арифметическое средних баллов состояния различных деревьев на пробной площадке: (2) где - число видов деревьев. Рис. 1. Соотношение особей в неудовлетворительном состоянии ко всем особям выборки на учетных участках Источник: составлено Д.А. Достоваловой. Figure 1. The ratio of individuals in unsatisfactory condition to all individuals of the sample at the registration sites Source: compiled by D.A. Dostovalova. Относительное жизненное состояние древостоя на исследуемой территории оценивается как «ослабленное» согласно шкале визуальной оценки деревьев по внешним признакам [1]. Наиболее распространенными патологическими явлениями среди древесных растений породного отвала ш. 5-6 являются точечный некроз листьев (60 % от общего числа обследованных деревьев), краевой некроз (30 %) и хлороз листьев (70 %), наличие галлов насекомых на поверхности листьев (14 %) (рис. 2). Рис. 2. Патологические явления среди древесных растений породного отвала Источник: составлено Д.А. Достоваловой. Figure 2. Pathological phenomena among woody plants of the rock dump Source: compiled by D.A. Dostovalovа. Заключение Таким образом, состояние зеленых насаждений и самого породного отвала ш. 5/6 характеризуется как неудовлетворительное, эффективность рекультивационных мероприятий недостаточна. Обследование состояния отдельных особей древесных растений показало, что здоровые деревья составляют 29 % от общего числа древесных растений, ослабленные - 31 %, сильно ослабленные - 40 %. Наиболее распространенными патологическими явлениями среди древесных растений породного отвала ш. 5-6 являются точечный некроз листьев (60 % от общего числа обследованных деревьев), краевой некроз (30 %) и хлороз листьев (70 %), наличие галлов насекомых на поверхности листьев (14 %). Относительное жизненное состояние древостоя на породном отвале ш. 5-6 г. Донецка оценивается как «ослабленное». Шахтные породные отвалы относятся к категории ландшафтных техногенных новообразований и представляют собой комплекс антропогенно трансформированных природных компонентов. Породные отвалы наносят определенный ущерб окружающей природной среде ввиду изъятия из пользования территорий земель сельскохозяйственного использования, выбросов продуктов горения, пылевидных частиц, смыва загрязнителей, засоления почв, эрозии склонов. Основным оптимальным мероприятием по снижению воздействия породных отвалов на окружающую среду для Донбасса является биологическая рекультивация их поверхности. Она основана на обязательном постоянном экологическом мониторинге, который представляет собой комплекс наблюдений за текущим состоянием и прогнозирование дальнейших изменений в состоянии атмосферного воздуха, поверхностных вод, радиационной обстановки, состоянии почв, флоры, фауны и здоровья населения на территории ландшафтного техногенного новообразования и прилегающих районах. Использование принципов экологического мониторинга позволит стабилизировать ландшафтное техногенное новообразование как экосистему и способствовать устойчивому развитию Донбасса как промышленного региона.

About the authors

Daria A. Dostovalova

Donetsk Botanical Garden

Author for correspondence.
Email: dasha.dostovalova1997@mail.ru
ORCID iD: 0000-0001-6308-6524

Junior Researcher at the Research Laboratory of Tropical and Subtropical Plants

110 Ilyich Ave., Donetsk, 283023, Donetsk People’s Republic, Russian Federation

Alexander Z. Glukhov

Donetsk Botanical Garden

Email: glukhov.az@mail.ru
ORCID iD: 0000-0001-9675-7611

Doctor of Biological Sciences, Chief Researcher

110 Ilyich Ave., Donetsk, 283023, Donetsk People’s Republic, Russian Federation

Nikolay S. Podgorodetsky

Donbass National Academy of Civil Engineering and Architecture

Email: n.s.podgorodetskiy@donnasa.ru
ORCID iD: 0009-0000-7553-7222

Candidate of Technical Sciences, Associate Professor of the Department of Technosphere Safety

2 Derzhavina St, Makeevsky Island, Makeevka, 286123, Donetsk People’s Republic, Russian Federation

Sergey P. Zhukov

Donetsk Botanical Garden

Email: ser64luk@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0003-0236-0467

Candidate of Biological Sciences, Senior Researcher at the Scientific Research Laboratory of Dendrology

110 Ilyich Ave., Donetsk, 283023, Donetsk People’s Republic, Russian Federation

References

Supplementary files