Забруднення довкілля

Діяльність людини призводить до надходження у навколишнє середовище нових, нехарактерних для нього фізичних, хімічних та біологічних елементів, сполук, речовин тощо. Кількість цих агентів постійно зростає. Вони не просто потрапляють у середовище, а й активно впливають на воду, грунт та повітря, призводять до зміни режимів екологічних природних факторів. Дані зміни відбуваються настільки швидко та непередбачливо, що рослини і їх угруповання не в змозі адаптуватися до нових умов. Це викликає порушення та зміни на всіх рівнях організації рослинних організмів, їх угруповань і екосистем.

У до індустріальну епоху до атмосфери шкідливі домішки надходили лише за рахунок діючих вулканів і гейзерів, в місцях виходу на поверхню нафти тощо. З розвитком промисловості число джерел токсичних речовин різко зросло. Найбільша кількість викидів потрапляє в атмосферу у Північній Америці та Європі. В Україні забруднення повітряного середовища найінтенсивніше відбувається у східних та південних районах. Воно зумовлене, головним чином, викидами металургійної, гірничо-видобувної, хімічної та будівельної індустрії. Потрібно відмітити, що найбільш багатокомпонентними за хімічним складом, тому найбільш фітотоксичними, є викиди металургійних підприємств.

Рослини відіграють важливу роль в очищенні атмосферного повітря від пилу. Здатність рослин затримувати пил залежить від їх біологічних особливостей (опушення листя, клейкості, наявності воскового нальоту), кількості і характеру опадів, вітрового режиму тощо. Так, дослідження, проведені в степовій зоні півдня України, показали, що кількість пилу на листках дерев, що ростуть поблизу металургійного комбінату, в декілька разів більша, ніж така у контрольних рослин, що зростають на території Маріупольської лісової науково-дослідної станції (табл. 10.8). За здатністю утримувати пил виділяється гіркокаштан звичайний (Aesculus hippocastanum). Не випадково це дерево стало звичним компонентом вулиць наших великих і малих міст. Затримка пилу деревами відбувається не лише завдяки його осадженню на поверхні листя, але й за рахунок осідання на грунтову поверхню, зумовленого зміною під пологом насаджень швидкості та напрямку повітряних потоків. Зелені насадження за вегетаційний період здатні осадити до 40 – 60 т пилу на 1 га. Але є дані про те, що коли випадіння пилу перевищує 58 кг на 1 га протягом місяця, то воно негативно впливає на рослинність. Таким чином, в умовах промислового забруднення довкілля зелені насадження, затримуючи і осаджуючи атмосферний пил, сприяють значному покращенню і оздоровленню навколишнього середовища.

Токсичні речовини впливають на анатомічну будову і функції рослин. Такі порушення можуть супроводжуватися візуальними змінами. Спостерігається некроз, побуріння або скручування, зменшення розмірів, часткове або повне опадання хвої та листя. В цілому картина пошкодження досить різноманітна і неспецифічна. Одна й таж сама шкідлива речовина викликає у різних видів рослин різні ефекти, а один і той же ефект можуть викликати різні речовини. Шляхом експериментів встановлено реакції певних видів рослин на дію конкретних забруднювачів повітря. Так, виявлено, що до диоксиду сульфуру (SO2) дуже чутливі конюшина, квасоля, мохи, лишайники. Лишайники, взагалі, настільки чутливі до атмосферних викидів, що можуть використовуватися як біоіндикатори забруднення повітря (рис. 10.10). В той же час, досить стійкими до забруднення атмосфери є гінкго, ялина, модрина, туя, ялівці, тополі, верби, липа.

Вплив атмосферного забруднення проявляється, в першу чергу, у зміні фізіологічних процесів у рослин. Встановлено, що під дією промислових газів у рослин з'являються порушення регулюючої функції продихів, руйнується протоплазма і хлоропласти, спостерігається потовщення стінок у клітинах палісадної паренхіми, збільшується проникливість клітинних оболонок, відбувається деформація клітин мезофілу, пригнічується процес поділу і розтягування клітин. В той же час, в 1,5 – 2 рази знижується інтенсивність транспірації, пригнічується фотосинтез. В подальшому, у рослин спостерігаються пригнічення росту і розвитку надземної частини і кореневої системи. Наприклад, експериментально встановлено, що у сосни в умовах постійного атмосферного забруднення диоксидом сульфуру інтенсивність фотосинтезу знижується у 1,4 – 2,1 рази (табл. 10.9), загальна маса коренів зменшується у 1,5-3 рази, а число фізіологічно активних – в 2 – 4 рази (табл. 10.10).

Таблиця 10.8

Кількість пилу, що осідає на 1 м2 листової поверхні, мг

(за Є. М. Кондратюком та інш., 1980)

Рис. 10.10. Вплив забруднення повітря поблизу заводу з виробництва алюмінію

Примітка: по осі абсцис – віддаль від заводу, по осі ординат – площа трансплантантів лишайників у % до початкової.

Таблиця 10.9

Інтенсивність фотосинтезу у сосни звичайної під впливом диоксиду сульфуру (мг СО2 на 1 г сирої хвої)

Таблиця 10.10

Вплив диоксиду сульфуру на лінійний приріст пагонів і коренів дворічних сіянців хвойних і листяних порід

Різні види рослин по різному реагують на одну й ту ж концентрацію в повітрі токсичних газів. Необхідно розрізняти газочутливість та газостійкість рослин.

Газочутливість – це швидкість і ступінь прояву у рослин патологічних реакцій у відповідь на дію токсичного газу.

Газостійкість – це збереження рослинами життєздатності в умовах забруднення атмосферного повітря токсичними газами, завдяки загальним чи індивідуальним анатомічним, фізіологічним і біологічним особливостям.

Газочутливість і газостійкість рослин оцінюють за допомогою наступних критеріїв:

• • поріг чутливості – це максимальна концентрація токсичного газу, перевищення якої призводить до пригнічення фізіологічних процесів у рослин;
• • гранично допустима концентрація – це концентрація токсичних газів, яка не викликає у рослин патології фізіологічних, біофізичних і біохімічних процесів, не призводить до змін анатомічної будови і морфологічних ознак, не знижує їх життєздатність, врожайність, декоративність, захисні і інші корисні якості.

Ці показники визначаються експериментально. Вони відрізняються в залежності від виду рослин (рис. 10.11). Аналіз результатів свідчить, що газочутливість листяних порід в цілому менша, ніж хвойних. Дослідження показали, що листяні деревні породи також більш витривалі і мають вищу газостійкість, ніж хвойні. Встановлено, що листяні насадження, в порівнянні з мішаними та хвойними, здатні до більш ефективного очищення атмосфери від токсичних газів. Це залежить від форми крони, від складу, повноти і висоти насаджень, від ступеню розвитку підліску і підросту. Більш ефективними очищувачами є середньоповнотні деревостани, потім високоповнотні і низькоповнотні.

Хімічні викиди в атмосферу, особливо оксиди сульфуру і нітрогену, пари соляної кислоти тощо, є причиною виникнення “кислотних дощів”. Встановлено, що кислотні опади пошкоджують рослинність. Внаслідок їх дії спостерігається зниження продуктивності деревостанів та їх зрідження, зумовлене відмиранням частини дерев, і поступова загибель. У 70-ті роки минулого століття, коли у Європі було зафіксовано значну кількість кислотних опадів, ліси зазнали значних пошкоджень (рис. 10.12). Особливо значний негативний ефект спостерігався в хвойних лісах Німеччини, Польщі, Чехії та Словаччини. Лише в ФРН під загрозою повної загибелі знаходиться близько 20 % лісів. Крім того, у лісах, що ростуть на глинистих і алюмосилікатних грунтах, кислі води підвищують рухливість алюмінію. Ці іони пригнічують мікрофлору ґрунту, токсично впливають на кореневу систему рослин. Надлишкова кислотність порушує біологічну рівновагу, призводячи до швидкого вимивання з верхніх горизонтів грунту легко- та важкорозчинних хімічних елементів (в тому числі, іонів важких металів).

Рис. 10.11. Гранично допустимі для деревних рослин середньодобові концентрації диоксиду сульфуру в атмосферному повітрі

Діяльність людини призводить до зростання в атмосфері вмісту парникових газів, які спричиняють парниковий ефект. До певного рівня парниковий ефект можна розглядати як досить корисний для біосфери, особливо для рослинності, оскільки зростання вмісту СО2 та підвищення температури інтенсифікують процеси фотосинтезу, що збільшує біомасу рослин (рис. 10.13). Це, в свою чергу, сприяє зростанню загальної біомаси. Але прогнозні кліматичні моделі показали, що подальше потепління не лише зведе нанівець позитивний вплив парникового ефекту, але й перевищить адаптаційні можливості рослин і їх угруповань. Відбудеться зміщення географічних зон, зникнення лісів і рослин, які людина вирощує та використовує. Наземні екосистеми можуть змінюватися і переходити у інші типи, наприклад, ліси – у степи, тундри – у ліси тощо. У високих широтах зими будуть коротшими, вологішими і теплішими, а літо довшим, жаркішим і посушливішим. Вологі регіони будуть ще більше насичуватися вологою, збільшиться кількість тропічних штормів.

Рис. 10.12. Середні значення кислотності (pH) опадів у Європі за даними спостережень з 1978 по 1982 роки

Занепокоєння світової спільноти проблемою парникових газів призвело до розробки і прийняття у 1992 р. у Ріо-де-Жанейро Міжнародної Рамкової Конвенції по зміні клімату. У грудні 1997 р. у м. Кіото (Японія) на Конференції сторін цієї конвенції був підписаний протокол, який встановлював для промислово розвинутих країн чіткі ліміти по зменшенню викидів СО2 відносно базового 1990 р.

Рис. 10.13. Можливі ефекти від збільшення в атмосферному повітрі концентрації вуглекислого газу

Ще одним прикладом глобального впливу діяльності людини на екологічну ситуацію на планеті і, відповідно, на фітоценози, є

руйнування озонового шару Землі, який затримує згубне для рослин ультрафіолетове випромінювання. У 1987 р. на міжнародній зустрічі у Монреалі представники 98 країн світу підписали угоду про поступове скорочення виробництва галогенкарбогідрогенів і заборону викидання їх в атмосферу (Монреальський протокол). Прогнозується, що відновлення потужності озонового шару відбудеться лише у 2030 р., що пов'язано з часом міграції фреонів, які вже потрапили в атмосферу.

Серед антропогенних забруднювачів, які впливають на рослинність, необхідно відмітити також діоксини. Вперше про них заговорили після того, як їх використали американські військові як дефоліанти під час війни у В'єтнамі. Протягом декількох років діоксинами було оброблено близько 2 млн. га (20 %) лісів Південного В'єтнаму. Крім значної шкоди здоров'ю як мирних жителів, так і військових, які мали справу з цими токсикантами, був нанесена значна шкода довкіллю. В результаті застосування дефоліантів загинули або були дуже пошкоджені величезні площі лісів, які неможливо реабілітувати донині.

Забруднення у процесі антропогенної діяльності зазнає і водне середовище. Використання води зростало по мірі розвитку цивілізації. Вважається, що рівень водокористування є важливим показником розвитку держави, тому водне середовище зазнає значного антропогенного впливу. Під цей вплив прямо і опосередковано потрапляють також рослин, оскільки вода для них є важливим фактором існування. У водоймах сконцентрована значна кількість біомаси, але частка фітопланктону в ній невелика (табл. 10.11). Не зважаючи на відносно невелику біомасу фітопланктону, за рахунок фотосинтезуючої діяльності морських водоростей, він постачає у повітря близько 50 % всього кисню, що надходить до атмосфери від біосфери. Антропогенний тиск на гідросферу по відношенню до рослин і їх угруповань виражається у:

• • кількісному зменшені водного середовища та водних запасів;
• • якісній зміні водних ресурсів.

Таблиця 10.11

Розподіл біомаси живої речовини між сушею та океаном

Незалежно від обсягів використання, вода, після очищення або без нього, повертається у природне середовище. Досить часто вона містить величезну кількість різноманітних розчинених хімічних сполук і зважених частинок. Відбувається забруднення внутрішніх водоймищ, річок, та, в подальшому, морів і океанів. Токсичні речовини негативно впливають на рослини як безпосередньо, так і шляхом зміни екологічних умов існування рослинних організмів. Вони можуть мігрувати трофічним ланцюгами, порушувати обміну речовин і перетворення енергії у біоценозі, викликати загибель окремих компонентів екосистем. Все це впливає на видовий склад та структуру рослинних угруповань.

Величезна кількість скидів, їх насиченість хімічними і органічними речовинами різко знизила здатність водойм до самоочищення. В кінці XX – на початку XXI століття навіть внутрішні водойми Крайньої Півночі зазнають значного антропогенного впливу. Основною причиною антропогенної евтрифікації озер, вода яких бідна на біогенні елементи, є надлишкова кількість нітрогену і фосфору, що надходить з стічними водами різного походження. Результатом є те, що вміст фосфору перевищує його природні концентрації у 10-30 разів, а нітрогену – в 7 – 8 разів. Через різке збільшення біогенних елементів знижується кількість розчиненого у воді кисню (у 1,5 – 2 рази). У складі фітопланктону починають переважати ціанобактерії, зелені, золотисті і водорості. Наслідком таких змін є порушення трофічних зв'язків у біоценозі, відмирання деяких представників водної фауни.

Економісти одностайно стверджують, що по мірі розвитку технологій, використання ресурсів Світового океану буде невпинно зростати. Така діяльність супроводжується значним забрудненням водного середовища. Нині близько 25 % площі Світового океану вкрито плівкою нафти, внаслідок її втрати при морських перевезеннях, підводному видобуванні, аваріях на нафтоналивних суднах. Нафта порушує природний процес газообміну між тропосферою та океаном, зменшує процеси випаровування у 1,5 рази, викликає зміни в умовах проживання водних організмів і, досить часто, призводить до їх загибелі. В результаті зменшення випаровування, зміни теплоємкості і альбедо верхнього шару океану змінюється температура його поверхні. Це, в свою чергу, призводить до суттєвої зміни хімічного складу води. Підвищення температури води знижує розчинність в ній вуглекислого газу та кисню. Внаслідок цього, спостерігається зниження фотосинтезуючої діяльності морських водоростей, що призводить до їх відмирання. Нафтове забруднення негативно впливає на фітопланктон, який пасивно переноситься водою, на фітоплейстон, що пристосувався до життя у верхніх горизонтах води, на фітобентос, що заселяє дно морів. Результати численних досліджень з розподілу вуглеводнів в океанських водах свідчать, що найбільш забрудненими нафтою є води прибережних і шельфових територій. Це пов'язано не лише з технічними особливостями видобування та транспортування нафтопродуктів, а й з тим, що літоральна зона має ряд екологічних особливостей.

У літоральній зоні створюються особливі умови життя рослин і тварин. Це перший гідрохімічний та літодинамічний бар'єр на шляху від континенту до океану, що має важливе значення для очищення води від забруднень. До найважливіших ознак літоралі відноситься:

• • надмірна дія механічної енергії морських хвиль та значні короткочасні вертикальні і горизонтальні деформації прибережно-морського рельєфу;
• • підвищені (у порівнянні з відкритою частиною моря) значення температури води влітку та знижені – взимку;
• • підвищена концентрація мулу;
• • знижена солоність води;
• • перманентна насиченість киснем і окисне гідрохімічне середовище;
• • знижена прозорість;
• • висока спроможність очищення води від забруднень. Літоральна рослинність складається, здебільшого, з прикріплених до грунту зелених, бурих і червоних водоростей та квіткових рослин (морська трава), а також діатомових водоростей, які обростають більші водорості. Саме літоральні рослини зазнають найбільшого антропогенного впливу як від прямого використання та знищення, так і внаслідок забруднення гідросфери.

Нажаль, забруднення вод Світового океану не обмежується лише нафтою та нафтопродуктами (табл. 10.12). Океан став місцем, куди не лише зливались і зливаються рідкі, в тому числі і токсичні, відходи. Протягом XX століття в океані відбувалося захоронения великої кількості різноманітних твердих відходів, небезпечна дія яких може проявитися з часом.

Таблиця 10.12

Найпоширеніші токсичні компоненти глобального забруднення вод Світового океану

(за Μ. І. Ніколайкіним, Н. Є. Николайкіною, О. П. Мелєховою, 2004)

Постійне скидання у ріки і моря різноманітних хімічних сполук призводить до зміни хімічного складу води. Наприклад, в другій половині XX століття в Балтійському морі зріс вміст різноманітних солей, особливо фосфатів, в наслідок чого зменшився вміст кисню та збільшилася концентрація сірководню, особливо на глибині. Біля берегів Швеції і Данії відмічається зростання вмісту ртуті, що унеможливлює використання риби.

До найпотужнішого споживача та забруднювача води відноситься сучасне сільське господарство. Нині в світі зрошується близько 17 % земель, які дають майже половину всієї сільськогосподарської продукції. В останні роки на зрошення витрачається близько 180- 190 км3 води на рік, при цьому майже 20 % її втрачається. Інтенсивне використання води на зрошення сільськогосподарських угідь у Середній Азії спричинило глобальну екологічну катастрофу – зникнення Аральського моря. Разом з цим унікальним морем-озером було знищено не лише водні екосистеми, але і екосистеми прилеглих територій. Подібна ситуація відбувається в Африці з озером Чад – води озера інтенсивно вилучаються для зрошення посівів бавовнику і рису, а береги розорюються.

Інтенсивне використання земель для сільськогосподарського виробництва значно збільшує забруднення водойм ґрунтовими змивами, які містять велику кількість різноманітних хімічних речовин, мінеральних добрив, гербіцидів та інших отрутохімікатів. Зважені частинки змивів замулюють річки та водойми, призводять до їх обміління і зміни рослинних угруповань. Мінеральні добрива і засоби захисту рослин стали потужним фактором, що змінює природні цикли хімічних речовин, їх міграцію та акумуляцію. Особливо небезпечним є накопичення у рослинах великої кількості макро- та мікроелементів. Прикладом надлишкової агрохімізацїї довкілля можуть бути дані щодо надходження, використання і акумуляції нітрогену на сільськогосподарських угіддях у долині річки Оки у Росії (рис. 10.14). Весь нітроген, який вноситься на поля верхніх елементів ландшафту, не використовується рослинами, внаслідок чого майже 30 % його змивається у нижчі елементи рельєфу і озеро. В озері спостерігаються інтенсивні процеси евтрофікації та зміни рослинності.

Таким чином, інтенсивне сільськогосподарське виробництво призводить до антропогенної поліхімізації навколишнього середовища, концентрації залишків хімічних сполук у внутрішніх водоймах, ріках, морях і понижених елементах рельєфу. Це явище супроводжується процесом евтрофікації. Антропогенна евтрофікація водойм, на відміну від природної, протікає дуже швидко, призводячи до змін водної та прибережної рослинності, а також до масового розмноження синьо-зелених водоростей.

Рис. 10.14. Ландшафтно-агрогеохімічний баланс нітрогену у долині р. Ока

(за В. М. Башкіним, 1989)

Примітка: І – рівнинний ландшафт; II – схилів; III – заплавний.

Внаслідок евтрофікації водойм спостерігається різке збільшення продуктивності фітопланктону. В подальшому відбувається збільшення маси інших водних організмів. А після відмирання надлишкової фітомаси на її розщеплення витрачається значна кількість кисню. В анаеробних умовах виділяється і накопичується сірководень, що й призводить до створення несприятливих умов для живих організмів.

Активно використовується людиною з давніх пір і літосфера. До головних факторів, які призводять до порушення природного функціонування рослин у межах літосфери, відносяться практично ті ж, що й для атмосфери і гідросфери. Це сільськогосподарське виробництво, вирубання лісів з наступним використанням звільнених від дерев площ під вирощування сільськогосподарських культур, засолення грунтів внаслідок зрошення, гірничо-видобувне виробництво, складування твердих і рідких побутових і промислових відходів, надходження хімічного і біологічного забруднення з промислових підприємств (через атмосферу та гідросферу), вилучення земель з природними фітоценозами для будівництва, ведення сільського господарства і промисловості.

Найбільшого впливу людини зазнає грунт – верхня, придатна для життя рослин частина земної кори. Рослини заселяють ґрунт та підгрунтя (кореневі системи можуть сягати глибини 10-20 м), мікроорганізми досягати значних глибин у тріщинах кристалічних порід (бактерії проникають на глибину до 2000 м). У природних умовах 1 см грунту формується протягом 125-400 років. А процес його руйнування, при сучасному розвитку техніки, може відбутися за секунди (наприклад, під час атомного вибуху). У зв'язку з демографічним вибухом, розширенням видового складу рослин, що вирощуються, та деякими іншими причинами у другій половині XX століття розпочався процес різкого зростання розмірів площ, зайнятими під сільськогосподарське виробництво. Він не стабілізувався і донині, але його темпи значно уповільнилися. Нині обробляється близько 10 % загальної площі суші. Розорення земель та вилучення ділянок з природними фітоценозами є однією з причин руйнування ґрунтів. При вирощуванні рослин у сучасних умовах використовуються інтенсивні методи з широким застосуванням мінеральних добрив, пестицидів, отрутохімікатів, стимуляторів росту тощо. В результаті такої діяльності порушується кругообіг поживних речовин, знижується багатство ґрунту, руйнується його структура, знищуються мікроорганізми, відбувається інтоксикація ґрунту різними хімічними речовинами.

Одним з видів антропогенного впливу на ґрунт є створення умов для водної та вітрової ерозії. У природному стані ґрунт захищений від ерозії рослинним покривом, особливо корінням рослин, підстилкою з відмерлих рослинних решток. Саме тому основними причинами ерозії грунтів є винищення лісів і інших видів природної рослинності, яке відбувається в наслідок діяльності людини, використання хибних методів обробітку ґрунту, природно-кліматичні умови, особливості рельєфу та складу материнських порід (рис. 10.15).

Рис. 10.15. Фактори, які визначають розвиток фунтової ерозії

За поширенням різних типів ерозії грунтів в Україні виділяють такі основні ерозійні зони і райони:

• • Полісся, що характеризується обмеженим розвитком водної ерозії супіщаних дерново-підзолистих ґрунтів та повсюдною поширеною, але неінтенсивною вітровою ерозією піщаних ґрунтів і осушених торфовищ;
• • височини Лісостепу, де спостерігається інтенсивна водна ерозія, особливо на високих правих берегах річкових долин;
• • широкі другі тераси Лісостепу, для яких властива вітрова ерозія, занесення заплав і незначна водна ерозія на уступах лісових терас;
• • височини Степу, що зазнають великого руйнування водною і вітровою ерозією;
• • низовини Степу, ґрунти яких дуже пошкоджуються пиловими бурями;
• • передгірні та гірські райони Карпат і Криму, грунти яких зазнають значного змивання дощовими і талими водами та сельовими потоками, а також агротехнічної ерозії внаслідок розорювання схилів.

Інженерно-будівельна і промислово-технічна діяльність людини викликає суттєві перетворення поверхні Землі. Це вирівнювання рельєфу при проведенні різних видів будівельних робіт під час будівництві доріг, будівель, інших споруд, створення западин при кар'єрних роботах і підвищень з відвалів, відходів та хвостосховищ. За ступенем впливу на природне середовище найбільш несприятливими є відкриті (кар'єрні) розробки корисних копалин. Дані розробки впливають на усі компоненти природних комплексів. Порушується літогенна основа ландшафтів, на поверхні піднімаються глибинні породи з низьким біогенним ступенем і низьким ступенем вивітрювання. З цим пов'язані зміни направленості і швидкості усіх хімічних процесів. Досить часто на поверхні з'являються породи, на яких рослини не в змозі зростати. Такі території називають “індустріальними пустелями”.

Для оцінки еколого-геологічного стану території використовуються різноманітні показники, в тому числі й ботанічні (табл. 10.13). Вони досить добре діагностують стан навколишнього природного середовища.

Таблиця 10.13

Ботанічні показники стану навколишнього природного середовища

(за Б. В. Виноградовим, 1993)