Растения и чистота природной среды

Растения и круговорот углекислого газа

Одно из важнейших значений зеленых растений заключается в том, что они осуществляют процесс утилизации углекислого газа. О масштабах этого процесса свидетельствует тот факт, что за год растения связывают в форме органических веществ около 6–7 % углекислого газа, содержащегося в атмосфере Земли. Приблизительно около трети количества образованного в ходе фотосинтеза органического вещества, расходуется самими растениями при дыхании, что приводит к высвобождению углекислого газа. Очень незначительная доля органических веществ (около 1/1000) консервируется (например, в виде торфа), а остальное количество их становится достоянием гетеротрофных организмов: микробов, животных, человека. В результате осуществления ими процессов дыхания, брожения и гниения органические вещества распадаются с выделением углекислого газа. Кроме того, углекислый газ высвобождается при горении древесины, газа, нефти, каменного угля и других горючих материалов, при извержении вулканов.

Подсчитано, что в атмосфере Земли имеется 2,3•10¹² т углекислого газа. Атмосфера постоянно обменивается газами с гидросферой. А та содержит в 60 раз больше углекислоты, чем атмосфера. Двуокись углерода атмосферы имеет очень важное значение. Она участвует в регуляции кислотности морей и океанов: при растворении в воде углекислый газ образует угольную кислоту, в результате диссоциации которой возникает карбонатбикарбонатная буферная система.

Моря и океаны действуют подобно насосу, перекачивающему углекислый газ из полярных широт в экваториальные. Происходит это следующим образом. Газы, как известно, лучше растворяются в холодной воде, чем в теплой. По этой причине углекислый газ интенсивно поглощается в холодных областях. При помощи глубинных течений он перемещается в теплые тропические области. Здесь двуокись углерода мигрирует в атмосферу. В связи с этим парциальное давление ее в атмосфере тропиков несколько выше, чем в высоких широтах.

Систематические наблюдения за содержанием углекислого газа в атмосфере были начаты еще в середине прошлого века. Они позволили установить, что в связи с резким возрастанием промышленности начиная с конца XIX в. в атмосфере постепенно возрастает содержание углекислого газа. Только за одно десятилетие с 1960 по 1970 г. доля углекислого газа в атмосфере поднялась с 0,0315 до 0,0320 %. Ученые полагают, что к концу нынешнего тысячелетия концентрация двуокиси углерода в атмосфере возрастет до 0,0379 %.

Накопление ее может иметь самые серьезные последствия. Хорошо известно, что углекислый газ поглощает инфракрасные лучи. По этой причине он действует в атмосфере подобно стеклу в оранжерее: пропускает солнечную радиацию, но задерживает тепловое инфракрасное излучение Земли. Благодаря этому углекислый газ создает так называемый «парниковый эффект».

Еще в прошлом веке некоторые ученые пришли к заключению, что углекислый газ регулирует температуру на Земле в глобальном масштабе и что возрастание его количества в атмосфере может привести к постепенному повышению температуры на Земле, таянию полярных шапок и ледников, к поднятию уровня Мирового океана и сокращению поверхности суши. Следует отметить, что этот прогноз в настоящее время частично подтверждается. Группа японских, австралийских и американских исследователей, работавших в Антарктиде, установила, что в ряде мест этого континента ледовый панцирь постепенно сокращается, в результате чего край льда приблизился к материковой части на 140 морских миль. Ученые полагают, что в основе этого явления лежит «парниковый эффект», вызванный накоплением в атмосфере углекислого газа. Что касается уровня Мирового океана, то в пользу его повышения, возможно, свидетельствует факт постепенного затопления берегов полуострова Флорида, вокруг которого в течение уже десяти лет уровень воды повышается в среднем на полдюйма в год. По мнению некоторых специалистов, уровень Мирового океана в XXI в. поднимется на 2,5 м. Пока же, за XX в., он повысился на 10–15 см.

Средняя годовая температура земного шара равна 14°. Удвоение количества углекислого газа в атмосфере увеличит ее вследствие «парникового эффекта» на 2°. Правда, изменение температуры Земли не обусловлено только концентрацией углекислого газа в атмосфере. С 1900 по 1945 г. наблюдалось потепление климата на Земле, которое затем сменилось похолоданием, причины которого четко не установлены. Следует иметь в виду и то обстоятельство, что при повышении концентрации углекислого газа в атмосфере возрастает скорость фотосинтеза, и это в свою очередь должно способствовать временному усилению использования углекислого газа растениями. Некоторые исследователи высказывали предположение о возможном или даже начавшемся уже увеличении годового прироста биомассы на 5–7—9 %. Однако, как отмечает В. А. Ковда (1975), объективных данных в пользу такого мнения пока нет.

В связи с относительно невысокой концентрацией углекислого газа в атмосфере и внушительными масштабами фотосинтетической деятельности растения оказывают временное заметное влияние на уровень его содержания в природной среде. Так, например, отмечены суточные и сезонные колебания концентрации двуокиси углерода в воздухе. В результате фотосинтетической деятельности растений днем содержание углекислого газа ниже, чем ночью, когда растения не фотосинтезируют. В течение ночи углекислый газ накапливается между растениями, преимущественно около почвы. С восходом солнца его концентрация среди растений начинает постепенно понижаться. Сезонные колебания уровня концентрации углекислого газа выражены менее четко, чем суточные. Ученые установили, что в Северном полушарии содержание CO₂ в воздухе в течение лета ниже, чем зимой, на 0,00008 %, а в Южном полушарии — на 0,00002 %.

Интенсивность усвоения CO₂ различными лесными породами неодинакова. Если принять скорость усвоения этого газа единицей площади елового насаждения за 100 %, то такая же площадь лиственничного леса усвоит 120 %, соснового — 160, липового — 250, дубового — 450, тополиного — 700 %.

Сернистый газ

Различные виды растений обладают неодинаковой способностью к поглощению сернистого газа. За вегетационный период (с мая по сентябрь) газопоглотительная способность растений выражается, по данным Ю. З. Кулагина (1974), следующими цифрами (в пересчете на сухое вещество 10 кг листвы дерева и 3 кг листвы кустарника) (г):

Тополь бальзамический	До 180	Дерен белый	42
Ясень зеленый	140	Сирень обыкновенная	20
Вяз гладкий	120	Акация желтая	13
Липа мелколистная	100	Жимолость татарская	17
Береза пушистая	100	Барбарис обыкновенный	12
Клен ясенелистный	30	Роза морщинистая	8
Клен остролистный	20	Чубушник венечный

По другим данным, акация белая за вегетационный период может поглотить 69 г сернистого газа на 1 кг абсолютно сухих листьев, вяз обыкновенный — 39, лох узколистный — 87, тополь черный 157 г. Рододендрон (Rhododendron catawbiense) в эксперименте поглощал сернистый газ менее интенсивно, чем пираканта (Pyracanta coccinea). За 1 ч 1 дм² поверхности рододендрона усваивал 0,081 мг двуокиси серы, тогда как такая же площадь листьев пираканты — 0,128.

Различия в газопоглотительной способности растений необходимо учитывать при создании санитарно-защитных зон. Некоторые виды (клен ясенелистный, клен остролистный, роза морщинистая, чубушник венечный) характеризуются низкой газопоглотительной способностью и благодаря этому являются высокоустойчивыми к сернистому газу. Поэтому их рекомендуют использовать в посадках, принимающих на себя действие высококонцентрированных газовых потоков.

Некоторые растения отличаются высокой газопоглотительной способностью и одновременно являются устойчивыми к сернистому газу (тополь бальзамический, дерен белый). Эти растения очень удобны для создания лесных полос, предназначенных для очистки воздуха от этого токсиканта. Они зимостойки и засухоустойчивы. К тому же тополь бальзамический растет очень быстро, а дерен теневынослив, благодаря чему может быть использован в качестве подлесочной породы.

В условиях степной зоны Украины сернистый газ усваивается из воздуха целым рядом растений. В зависимости от способности аккумулировать серу эти виды располагаются в следующем порядке: берест>шелковица>бирючина>акация>бузина>айлант>тополь.

Прекрасными объектами для озеленения загазованных районов в Белоруссии считаются: тополь канадский, тополь душистый, тополь бальзамический, тополь берлинский, дерен белый, ива белая. Они отличаются высокой газоустойчивостью и вместе с тем являются весьма ценными для очистки воздуха от газообразных соединений серы.

Благодаря поглощению сернистого газа лесными растениями концентрация его на опушке леса и внутри лесного массива неодинакова.

Движущей силой поглощения двуокиси серы растениями является диффузия молекул главным образом через устьица. Чем сильнее опушены листья, тем меньше поглощают они сернистого газа. Так, например, низкой поглотительной способностью обладают липа войлочная и клен серебристый. Напротив, снежноягодник и желтая акация интенсивно поглощают двуокись серы.