The electrical state of surface layer over swamp landscapes.pdf Введение К атмосферным ионам относят все электрически заряженные частицы, содержащиеся в воздухе, - от молекулярных кластеров до аэрозольных частиц [Ehn et al., 2010]. На сегодняшний день признанно, что ионы играют важную роль в атмосферных процессах [Harrison, Tammet, 2008; Hirsikko et al., 2011]. Результаты исследования изменчивости содержания аэроионов и проводимости воздуха отражены в работах [Chalmers, 1952; Israel, 1970; Eisele, 1989; Dhanorkar, Kamra 1992; Ling, Jayaratne, Morawska, 2010]. В большинстве из них измерения содержания аэроионов проводились приборами на основе конденсаторов Гардиена и в условиях хорошей погоды. В атмосферном электричестве под хорошей погодой принимают условия, когда общее количество облачности не превышает 5 баллов, отсутствует облачность нижнего яруса и атмосферные явления, ухудшающие дальность видимости, а скорость ветра не более 6 м/с [Israel, 1970]. Проведенные исследования позволили установить как глобальные, так и локальные источники образования аэроионов: легких за счет ионизации, средних и тяжелых за счет взаимодействия с молекулярными соединениями и аэрозольными частицами. В нижней атмосфере основными ионизаторами являются фоновое радиоактивное излучение, обусловленное выходом из почвы и полураспадом радона, и галактические космические лучи [Israel 1970; Harrison, Tammet, 2008]. Поэтому скорость ионизации в приземном слое, главным образом, зависит от концентрации радона и его дочерних продуктов распада в воздухе [Israel, 1970; Harrison, Tammet, 2008]. На образование средних и тяжелых аэроионов также оказывают влияние некоторые локальные факторы, такие как разбрызгивание воды (эффект Ленарда, или баллоэлектрический эффект) [Chalmers, 1952; Israel, 1970], происходящее на берегах водоемов, причем на морских происходит увеличение содержания положительных аэроионов [Blanchard, 1966], а вблизи водопадов и во время дождя - отрицательных [Laakso et al., 2007]. Еще одним механизмом локального образования средних и тяжелых аэроионов может служить взаимодействие молекулярных кластеров фотохимического происхождения с легкими ионами. По данным [Jayaratne, Ling, Morawska, 2011; Севостьянов, Грязь-кин, 2016], выбросы летучих органических соединений (ЛОС) некоторыми видами растений приводят к увеличению концентрации аэроионов. Основываясь на долгосрочных измерениях ионов, проведенных в бореальных лесах на юге Финляндии [Kulmala et al., 2013] пришли к выводу, что вклад ионов в образование новых аэрозольных частиц в бореальных лесах незначителен. Однако исследования, проведенные [Junninen et al., 2008; Rose et al., 2018], показали, что аэроионы могут играть большую роль в формировании ядер конденсации в бореальных лесах ночью. В работах [Rose et al., 2018; Lee et al., 2019] выдвигаются предположения о значимом влиянии ЛОС и аэроионов на облако-образование, поскольку они способствуют формированию ультрадисперсных аэрозольных частиц, которых впоследствии могут действовать как ядра конденсации. В свою очередь, сток и трансформация аэроионов происходят как за счет рекомбинации и оседания на поверхность аэрозольных частиц [Israel, 1970] и молекулярных кластерах [Harrison, Tammet, 2008], в том числе на ЛОС, так и в процессе атмосферного переноса. Поэтому в последние годы все больше внимания уделяется изучению состава органических соединений, выделяемых природными источниками, в частности растительностью, в атмосферу. Это относится прежде всего к таким реакционноспособным соединениям, как монотерпеновые углеводороды (С10Н16), которые в определенных условиях могут вступать в фотохимические реакции, приводящие к образованию озона и аэрозольных частиц. Инициируемое озоном и радикалами гомогенное и газофазное окисление терпенов имеет сложный механизм и приводит к образованию кислородсодержащих соединений (альдегидов, кетонов, терпенов и др.). Главным поставщиком летучих терпеноидов в атмосферу являются хвойные побеги. При этом сезонные изменения концентрации терпенов в пологе леса могут быть довольно значительными [Lim et al., 2008; Matsunaga et al., 2013]. Максимальное содержание этих соединений, как правило, отмечается в июне и начале июля. Затем их вклад постепенно снижается к концу августа и несколько повышается в первой половине сентября [Duce et al., 1983; Guenther et al., 1995; Исидоров, 2001; Lim et al., 2008; Matsunaga et al., 2013]. Все вышеперечисленное свидетельствует о сложных механизмах взаимосвязи ЛОС, аэроионов и аэрозольных частиц, которые остаются малоисследованными до сих пор. Целью данной работы является оценка пространственно-временной изменчивости содержания аэроионов в приземном слое на различных болотных ландшафтах в условиях хорошей погоды и анализ влияния ЛОС, выделяемых болотной растительностью, на их содержание. Материалы и методы исследования Наши исследования проводились в течение 20202021 гг. на территории, указанной на карте на рис. 1 красным крестиком. Расположение семи пунктов наблюдений (ПН) на территории исследования показано на рис. 2, на котором для более ясного понимания их положения они показаны на крупномасштабной топографической карте (рис. 2, a) и на спутниковом снимке Landsat (рис. 2, b). Их географические координаты представлены в табл. 1. Пункты наблюдения были организованы на стационаре «Васюганье» и в лесоболотной зоне (в лесу и на болотном ландшафтном профиле). По своей сути выбранный нами ландшафтный профиль представляет собой натурную модель, отражающую реальные природные условия развития типичных болотных экосистем на территории южной тайги Западной Сибири. Ландшафтный профиль пересекает основные виды болотных фитоценозов: заболоченный высокорослый смешанный лес в периферийной части болотного массива, высокий рям, низкий рям и осоково-сфагновую топь. Стационар «Васюганье» (ПН 7) расположен в районе д. Полынянка Бакчарского района Томской области. ПН 5 и 6 находятся, соответственно, на поляне на границе сухого и заболоченного участков леса и под пологом смешанного леса с хорошо дренированной подстилающей поверхностью. Ландшафтный профиль (ПН 1-4) находится на водоразделе малых рек Бакчара и Иксы, которые входят в состав речных систем Чаи и Оби. Район водораздела относится к подзоне южной тайги и представляет собой северо-восточную часть (Бакчарское болото) крупнейшей системы водно-болотных угодий в мире - Большого Васюганского болота. С точки зрения климатических условий, для территории исследования характерен умеренно континентальный климат с умеренно холодной зимой и умеренно жарким летом, со среднегодовой температурой воздуха -0,3 °C [Dyukarev, 2015], с суммой годовых осадков 468 мм, из которой 45 % приходится на летние месяцы, 12 % - на зимние. Продолжительность залегания устойчивого снежного покрова составляет в среднем 172 дня [Киселев, Воропай, Дюка-рев, 2016]. Первый снежный покров в октябре обычно сходит под влиянием последующих оттепелей. Разрушение устойчивого снежного покрова происходит в среднем к концу второй декады апреля. "Ч Barnaul У*п.$*7 Honda > lo* о Kostanay кмам» Kazakhstan Nu;-2_ut,al. Semeyo \\ Mddte Ob К h antv-Mansiysk Lwdantf4' Cbutym-Yen's®/ Plateau imerovo «га* X Ob xRrrcr Kcl-Tym ■ - X Owf Умуцрал Urtw Л су Ptsm +lomsk 5000 2000 1000 500 200 100 50 Longitude. °E Рис. 1. Территория исследования (красный крестик) Ptofcau E CT 2 Fig. 1. The study area (red cross sign) Рис. 2. Расположение пунктов наблюдения на территории исследования на топографической карте a - и спутниковом снимке Landsat (b): 1 - осоково-сфагновая топь, 2 - низкий рям, 3 - высокий рям, 4 - заболоченный высокорослый смешанный лес в периферийной части болотного массива, 5 - поляна на границе сухого и заболоченного участков леса, 6 - высокорослый смешанный лес, 7 - стационар «Васюганье» Fig. 2. Site locations in the study area on a topographic map a - and a Landsat image; b: 1 - a sedge-sphagnum marsh, 2 - a low ryam, 3 - a high ryam, 4 - a swampy tall mixed forest in the peripheral part of the swamp massif, 5 - a glade on the border of dry and swampy areas of the forest, 6 - a tall mixed forest, 7 - Vasyuganye station С точки зрения ландшафтных условий, территория исследования в ПН 5 и 6 представляет собой смешанный лес с березово-сосново-зеленомошным растительным сообществом. Ландшафт в ПН 4 также представляет смешанный, но заболоченный лес с березово-сосново-зеленомошным растительным сообществом. Поверхность обладает резко выраженным микрорельефом, образованным приствольными повышениями, упавшими стволами, моховыми кочками, корягами, выворотнями. Древостой заболоченного леса двухъярусный, проективное покрытие древесного яруса 80 %. Первый ярус образован сосной обыкновенной (Pinus sylvestris L.) и кедром (Pi-nus sibirica Du Tour.) со средней высотой древостоя 15 м. Второй ярус представлен сосной сибирской и березой пушистой, средняя высота древостоя 10 м. Кустарничковый ярус развит слабо, он образован брусникой (Vaccinium vitisidea L.) с проективным покрытием 10 %. Травяная растительность представлена хвощем лесным (Equisetum sylvaticum L.), майником двулистным (Majanthemum bifolium), морошкой (Rubus chamaemorus), вейником Лангсдорфа (Calamagrostis langsdorffii). Проективное покрытие мохового яруса составляет около 80 %. При продвижении по профилю в сторону болота в растительном сообществе увеличивается доля кустарничков, зеленые мхи постепенно вытесняются сфагновыми. Древесный ярус существенно не меняется. Таблица 1 Координаты пунктов наблюдений Table 1 Site coordinates Координаты Пункт наблюдения 1 2 3 4 5 6 7 Широта 56°58,28' N 56°58,40' N 56°58,26' N 56°58,12' N 56°58,02' N 56°57,83' N 56°56,97' N Долгота 82°37,11' E 82°36,69' E 82°36,17' E 82°35,90' E 82°34,33' E 82°33,22' E 82°30,32' E Высота н. у. м., м 115 113 111 111 130 117 114 Ландшафт высокого ряма (ПН 3) представляет собой окраину верхового водораздельного массива. Микрорельеф представлен моховыми подушками и приствольными буграми высотой до 50 см. Растительность высокого ряма принадлежит к сосново-кустарничково-сфагновой ассоциации. Древесный ярус состоит из сосны (Pinus sylvestris L.) со средней высотой древостоя 18 м, проективное покрытие древесного яруса 90 %. Подрост представлен в основном сосной и единичными экземплярами кедра и березы высотой 5-10 м. Кустарничковый ярус развит пышно, достигает высоты 50 см, проективное покрытие 90 %. Доминантами являются багульник болотный (Ledum palustre), кассандра болотная (Chamaedaphne calyculata), брусника (Vaccinium vitisidea) и клюква (Oxicoccus microcarpus). Проективное покрытие травяного покрова - 15 %. Доминантами мохового покрова являются сфагновые мхи (Sphagnum angustifolium). Торфяная залежь в высоком ряме имеет мощность не более 1 м. За высоким рямом по направлению к центру болота ландшафт переходит в форму низкого ряма (ПН 2) c сосново-кустраничково-сфагновой ассоциацией. Поверхность низкого ряма характеризуется волнистым микрорельефом из-за большого количества больших моховых подушек высотой около 30 см и диаметром в среднем до 3 м. Современный растительный покров представлен древесным ярусом с низкорослой сосной (Pinus sylvestris L.) co средней высотой древостоя 2-3 м, кустарничковым ярусом, который обильно развит на микроповышениях (общее проективное покрытие 60-70 %). Доминантами являются Ledum palustre L., Chamaedaphne calyculata L., Andromeda polifolia L., Vaccinium uliginosum L., Oxicoccus microcarpus Turcz. В моховом покрове на повышениях доминирует (95 %) Sphagnum fuscum Klinggr., на межкочковых понижениях встречается Sph. Angustifolium C. Jens. и Sph. Magellanicum Brid. Травяный ярус развит слабо (проективное покрытие 5 %), представлен куртинами Eriophorum vaginatum L., Rubus chamaemorus L., Drosera rotundifolia L. Торфяная залежь достигает мощности 3 м. Осоково-сфагновая топь (ПН 1) занимает центральную часть болотного массива. Микрорельеф представлен незначительными микроповышениями высотой до 20 см. В современном растительном покрове преобладают Eriophorum vaginatum L. и Carex rostrata Stokes (проективное покрытие 64 %). Моховой ярус представлен различными видами сфагновых мхов (Sph. fuscum Klinggr., Sph. Angustifolium C. Jens. и Sph. Magellanicum Brid.), формирующими микрорельеф. Степень покрытия моховым ярусом составляет 100 %. Торфяная залежь здесь достигает мощности 3 м. Наше исследование включало проведение измерений концентрации аэроионов и основных метеорологических величин в пунктах наблюдений с различными лесоболотными экосистемами и отбор образцов растительности с их последующим хроматографическим анализом для качественной и количественной оценки содержания ЛОС в биомассе, которая бы позволила опосредованно судить о связи ЛОС с аэроионами. Большая скорость выделения и высокая реакционная способность ЛОС, в частности терпенов, обусловливают их сильнейшее влияние на газовый и аэрозольный состав приземной атмосферы в пределах аэротопа различных лесных сообществ, в том числе и болотных экосистем. Измерения ПН проводились в теплые периоды 2020-2021 гг. во второй половине дня последовательно в ходе маршрутных съемок, начиная с топи и заканчивая стационаром. В пределах болотных ландшафтов измерения проводились на краю дощатых настилов, имеющихся в ПН 1-4, в ПН 5-7 измерения выполнялись непосредственно на подстилающей поверхности. В ПН счетчики аэроионов устанавливались на штативы на высоте 1 м. Измерение концентрации аэроионов проводилось в течение 10 мин с дискретностью 1 с. Метеорологические величины измерялись в течение 1 мин через 5 мин после начала измерения аэроионов. Также регистрировались тип и количество облаков. Пример размещения счетчика аэроионов в ПН на разных болотных ландшафтах показан на рис. 3. Рис. 3. Измерения концентрации аэроионов в ПН 1 на осоково-сфагновой топи (a) и в ПН 2 в низком ряме (b) Fig. 3. Measurements of air ion concentration at site 1 on the sedge-sphagnum marsh (a) and at site 2 in the low ryam (b) Измерение счетной концентрации аэроионов производилось двумя приборами Air Ion Counter Model AIC2 (AlphaLab, США). Этот портативный прибор измеряет счетную концентрацию (количество) ионов в см-3 воздуха. Измерение положительных и отрицательных ионов производится раздельно. В конструкции счетчика используется аспирационный конденсатор - трубка Гардиена, имеется встроенный проточный вентилятор с постоянной скоростью прокачки воздуха и функция самокалиб-ровки. Прибор позволяет измерять концентрацию 3 ионов до 2 млн в см . Измерения метеорологических величин, оказывающих наибольшее влияние на аэроионы, также производилось с помощью портативных приборов. Температура и относительная влажность воздуха измерялись термогигрометром MS-6508 (Precision Mastech, Гонконг). Он позволяет также определять температуру точки росы и температуру смоченного термометра. Погрешность измерения температуры воздуха составляет ±0,5 °С, относительной влажности - ±2 %. Анемометр MS6252A (Precision Mastech, Гонконг) измеряет мгновенные, средние и экстремальные значения скорости ветра с разрешением до 0,01 м/с. Инструментальные наблюдения дополнялись визуальными наблюдениями за облачностью и атмосферными явлениями. В каждом пункте наблюдения было выполнено описание его ландшафта. Для косвенной оценки интенсивности выделения ЛОС производился отбор образцов болотной растительности и их лабораторный анализ. Отбор образцов для хроматографического анализа проводился в ПН 2 в низком ряме. Исходным сырьем послужили лапки сосны сибирской (Pinus sylvestris L.). Согласно техническим условиям ГОСТ-21769-84, отбор образцов проводился во время экспедиционных выездов в мае, июне, августе и сентябре [ГОСТ-21769-84]. Отобранные лапки сосны в лабораторных условиях нарезались длиной 3-5 мм, после чего из измельченного сырья массой не менее 100 г проводилась экстракция эфирного масла методом гидродистилляции в течение 3 ч, как это описано в [Ткачёв, 2008]. После экстракции масло отделялось, сушилось безводным сульфатом натрия и помещалось в стеклянные хроматографические виалы. Выход эфирного масла рассчитывался в процентах от абсолютной сухой массы, для чего навески сырья высушивали в бюксах в сушильном шкафу при температуре +40 °С до установления постоянной массы. Состав эфирного масла определялся на хроматографе Agilent Tecnologies 7890 GC System. Разделение осуществлялось на капиллярной колонке HP-5 длиной 30 м с внутренним диаметром 0,25 мм. Температура испарителя - 280 °С, объем пробы - 1 мкл, разделение потока - 100 : 1. Температурный режим колонки: 50 °С (2 мин), 50-240 °С (4°/мин), 240-280 °С (20°/мин), 280 °С (5 мин). Газ-носитель - гелий с постоянным потоком 1 мл/мин. Определение компонентов проводилось с использованием собственной библиотеки хромато-масс-спектрометрических данных. Количественный анализ выполнялся методом внутренней нормировки по площадям газохроматографических пиков, вычисленных с помощью пакета Agilent ChemStation без использования корректирующих коэффициентов. Результаты и их обсуждение Пространственная изменчивость аэроионов. В результате проведенных измерений была определена концентрация аэроионов в типичных ландшафтах Бакчарского болота (ПН 1-4), которая изменялась в пределах 750-850 см-3 для положительных и 200-700 см-3 для отрицательных аэроионов. В большинстве случаев преобладали положительные ионы (табл. 2, рис. 4). Обнаружено, что с уменьшением обводненности почвы, по направлению от топи к заболоченному лесу, медианные значения концентрации положительных ионов снижаются с 1 000 до 750 см-3, а отрицательные, наоборот, возрастают более чем в 3 раза. Также противоположно изменяются значения дисперсии у обоих полярностей ионов (рис. 4). При этом практически во всех пунктах наблюдений иногда наблюдалась очень низкая концентрация ионов - около 10 см-3, являющаяся нижним пределом чувствительности счетчика. Иная ситуация наблюдалась на ландшафтах с относительно сухой подстилающей поверхностью (ПН 5-7). Концентрации ионов обоих полярностей, как и их дисперсии, возрастают при удалении от болота. При этом измерения на стационаре (ПН 7) показали, что концентрация отрицательных аэроионов на селитебной территории в населенном пункте бо-леее чем в 3 раза ниже концентрации в лесу. Предположительно, мы это связываем с более высокой аэрозольной загрязненностью приземного слоя в населенном пункте и у автотрассы (рис 2, а). Следует также отметить общую тенденцию к увеличению концентрации всех аэроионов в направлении от болота к лесу, которая хорошо видна на рис. 4, что, как будет показано далее, вероятно связано с ЛОС, выделяемыми растительностью, в первую очередь хвойными деревьями и кустарничками, обильно произрастающим на рямах и в лесу. Таблица 2 Основные статистические характеристики изменчивости содержания положительных/отрицательных аэроионов в пунктах наблюдений по данным измерений в 2020-2021 гг. Рис. 4. Изменчивость содержания положительных (a) и отрицательных (b) аэроионов в пунктах наблюдений по данным измерений в 2020-2021 гг. Т able 2 Main statistical parameters of amount variation of positive/negative air ions at sites based on measurement data in 2020-2021 Статистическая характеристика Пункт наблюдения 1 2 3 4 5 6 7 Среднее 860/330 740/500 740/460 745/720 1 430/720 1 970/1 290 2 100/530 Медиана 1 000/240 870/555 850/380 740/780 1 450/640 2 410/1 660 2 450/520 Межквартильный размах 1 280/220 480/410 300/430 240/490 780/1030 1 390/1 185 300/310 5-й процентиль 10/10 10/10 250/10 280/50 60/10 20/30 1820/60 25-й процентиль 90/170 510/290 670/240 635/490 1 100/180 1 180/655 2 270/370 75-й процентиль 1 370/390 990/700 970/670 875/980 1 880/1 210 2 570/1 840 2 570/680 95-й процентиль 1 930/720 1 220/1040 1 290/1170 1 220/1570 2 320/1 750 3 980/2 660 3 000/1 140 Fig. 4. Amount variation of positive (a) and negative (b) air ions at sites based on measurement data in 2020-2021 Временная изменчивость аэроионов. Как было сказано во введении, аэроионы подвержены влиянию различных геофизических и метеорологических факторов. Поэтому при анализе изменчивости ионов необходимо учитывать изменчивость метеорологических величин, изменения фаз вегетационного периода, обводненности почв и почвенной эмиссии радона. Далее рассмотрим оценки сезонного содержания и изменчивости аэроионов на различных участках ландшафтного профиля Бакчарского болота. На рис. 5 и 6 и в табл. 3 приведены обобщенные результаты измерений концентраций положительных и отрицательных ионов, проведенных на разных типах ландшафтов в мае, июне, августе и сентябре 2020-2021 гг. На рис. 5 видно, что во временном ходе положительных аэроионов наблюдается выраженная сезонность. В мае и июне были зарегистрированы значения концентрации положительных аэроионов до 600 см-3 на обводненных участках и до 1 000 см-3 на более сухих. В августе и сентябре концентрации значительно возросли - до 1 000 см-3 на болотных ландшафтах и до 2 500 см-3 на поляне и в лесу. В свою очередь максимальные концентрации положительных аэроионов для августа и сентября в несколько раз выше, чем для тех же ПН в мае. Наименьшие концентрации положительных ионов наблюдаются в мае, а отрицательных - в июне. Во временном ходе содержания отрицательных аэроионов также прослеживается сезонность. Однако в мае наблюдается аномалия, когда на болотных ландшафтах отмечаются более высокие концентрации, чем в другие месяцы. В мае происходит активное цветение многих растений, а также выделение активных веществ хвойными деревьями, что, по данным некоторых исследователей [Севостьянов, Грязькин, 2016], приводит к повышенному образованию отрицательных аэроионов. Стоит также отметить, что от топи к поляне увеличивается количество цветущих болотных растений - багульника, кассандры, брусники, а также хвойных деревьев. Рис. 5. Изменения концентрации положительных аэроионов вдоль ландшафтного профиля по данным измерений в мае-сентябре 2020-2021 гг. Здесь и на рис. 6: кружки - медианные значения, треугольники - верхняя (Wup) и нижняя (Wdown) границы доверительного интервала, определяемые как Wup = P75 + 1,5 х IQR и Wdown = P25 - 1,5 х IQR, где P25 и P75 - 25- и 75-й процентили, IQR -межквартильный размах Fig. 5. Changing of the positive air ion concentration along the landscape track based on measurement data in May-September of 2020-2021 Here and in the fig. 6: circles are median values, triangles are upper (Wup) and bottom (Wdown) borders of confidence interval, determined as Wup = P75 + 1.5 х IQR и Wdown = P25 - 1.5 х IQR, where P25 and P75 are 25th and 75th percentiles, IQR - interquartile range 3000 г 2750 Ме(Май) Me (Июнь) Me (Август) Me (Сентябрь) 2500 - 2250 Рис. 6. Изменения концентрации отрицательных аэроионов вдоль ландшафтного профиля по данным измерений в мае-сентябре 2020-2021 гг. Fig. 6. Changing of the negative air ion concentration along the landscape track based on measurement data in May-September of 2020-2021 Таблица 3 Основные статистические характеристики изменчивости содержания положительных/отрицательных аэроионов в пунктах наблюдений по данным измерений в разные месяцы 2020- 2021 гг. Т able 3 Main statistical parameters of amount variation of positive/negative air ions at sites based on measurement data in different months of 2020-2021 Взаимосвязь аэроионов и ЛОС. Для оценки влияния ЛОС на аэроионы в течение мая, июня, августа и сентября 2021 г. были проведены одновременные измерения счетных концентраций аэроионов с помощью двух приборов на двух близкорасположенных участках (удалении друг от друга не более 7 м) в низком ряме (ПН 2) и отборы образцов растительности (Pinus sylvestris L.) на одном из них. Участок I Месяц Статистическая характеристика Пункт наблюдения 1 2 3 4 5 6 7 Май Среднее 80/240 480/540 70/810 70/1 080 190/1 110 180/920 нет данных Медиана 70/220 470/540 30/800 20/1 070 140/1 110 120/890 5-й процентиль 40/90 400/440 10/580 10/640 90/930 80/660 95-й процентиль 120/460 610/740 200/1090 330/1 500 460/1 370 580/1290 Июнь Среднее 60/130 520/120 180/140 580/230 980/120 1140/90 400/160 Медиана 60/120 530/70 140/110 550/160 960/90 1100/70 400/120 5-й процентиль 20/40 270/10 40/30 300/60 550/20 790/40 290/80 95-й процентиль 130/240 700/730 380/440 1 000/510 1 350/250 1 360/150 580/400 Август Среднее 970/560 860/700 1 030/340 1 050/650 1 390/620 2 270/1 770 2 510/510 Медиана 990/550 870/690 1 000/310 1 060/640 1 440/620 2 260/1 740 2 500/500 5-й процентиль 790/240 750/520 810/210 820/530 1 080/400 1 800/1 550 2 250/330 95-й процентиль 1 110/970 970/880 1 280/590 1 270/870 1 710/850 2 800/2 000 2 940/710 Сентябрь Среднее 1 050/250 1 010/670 930/560 760/870 1 920/1060 2 540/1 800 2 470/730 Медиана 1 020/250 1 010/670 920/520 750/880 1 890/1240 2 540/1 770 2 500/720 5-й процентиль 840/70 870/440 730/260 570/490 1 700/200 2 320/1 540 2 220/340 95-й процентиль 1 450/420 1 160/890 1 180/970 980/1 180 2 230/1 630 2 800/2 150 2 650/1 140 был относительно открытым, сосны находились на расстоянии нескольких метров от прибора. На участке II измерения проводились в плотном пологе сосен, здесь же отбирались образцы - по три сосновых лапки с каждого дерева. Всего было использовано семь одних и тех же сосен, располагавшихся вокруг измерительного прибора. На рис. 7 показаны результаты этих измерений. Как видно, на участке I концентрации положительных и отрицательных аэроионов в мае более чем в 5 раз выше, чем на участке II. В июне наблюдается схожая картина, но разница между концентрациями аэроионов на двух участках уменьшается. Кроме того, в июне отмечается более сильный разброс значений концентраций аэроионов обоих полярностей на участке I. В августе концентрации аэроионов обоих полярностей еще более возрастают и выравниваются на обоих участках. Из отобранных образцов лапок сосны по ранее описанной методике была осуществлена экстракция эфирного масла и проведен его хроматографический анализ. Один из результатов анализа в виде хроматограммы эфирного масла, извлеченного из образцов июньской сосны, показан на рис. 8. Анализ показал, что содержание эфирного масла в разные месяцы заметно различается. Наиболее насыщены эфирным маслом оказались лапки сосны, отобранные в июне (2,25 мл), которые в 2 раза больше содержали масла, чем отобранными в августе и сентябре (1,22 и 1,53 мл соответственно). Полученные результаты не противоречат литературным данным и отражают естественный цикл развития дерева [Фуксман, 1999; Trapp, Croteau, 2001]. Качественный состав эфирных масел, экстрагированных во все месяцы отбора, довольно единообразен. Общими компонентами эфирных масел являются 10 монотерпенов, причем большинство из них присутствовали на протяжении всех месяцев исследований (табл. 4). Во все месяцы а-пинен является доминирующим веществом, в минимальном количестве содержатся сабинен, Y-терпинен и борнилацетат. Вместе с тем абсолютные концентрации монотерпенов подвержены значительным колебаниям в течение летнего периода. Бросается в глаза отсутствие таких компонентов, как трициклен, сабинен, А-3-карен и Y-терпинен в июньском эфирном масле. В то же время мы видим, что эти компоненты в значительном количестве появляются в образцах эфирного масла, отобранных в августе и сентябре. Количественное содержание основных компонентов в сезоне изменяется заметным образом, причем если вклад а-пинена и в-мирцена снижается от лета к осени, то трициклена и борнилацетата в ходе вегетации, напротив, увеличивается. Изменения концентраций остальных монотерпенов незначительны на протяжении всего сезона, которые колеблются около среднего для каждого компонента значения. Рис. 7. Изменение концентраций положительных (a) и отрицательных (b) аэроионов на двух близко расположенных участках в пределах низкого ряма по данным измерений в мае, июне и августе 2021 г. -----------------1 + ------------------1 + -------------*-----------------1------------------г т * еБ 4- ■ 1 1 1 _ 1 Fig. 7. Changing of the positive (a) and negative (b) air ion concentrations on two closely located plots within a low ryam based on measurement data in May, June and August of 2021 Рис. 8. Хроматограмма, показывающая наличие основных компонентов эфирного масла в образцах сосны (Pinus sylvestris L.), отобранных в низком ряме в июне 2021 г. Fig. 8. Chromatogram of the main component's content of essential oil in samples of pine (Pinus sylvestris L.), taking in the low ryam in June 2021 Таблица 4 Временные изменения содержания основных компонентов эфирного масла в образцах сосны (Pinus sylvestris L.), отобранных в низком ряме в 2021 г., % Temporal changing of the main component's content of essential oil in samples of pine (Pinus sylvestris L.) taking in the low ryam in 2021, % Table 4 Компонент Июнь Август Сентябрь Трициклен - 0,96 11,00 а-пинен 41,60 37,50 28,10 Камфен 2,85 3,94 3,53 Сабинен - 0,50 в-пинен 1,60 2,97 2,35 в-мирцен 5,54 1,83 1,68 Д-3-карен - 12,30 9,77 Лимонен + в-фелландрен 6,53 3,84 4,85 Y-терпинен - 1,14 1,09 Борнилацетат 0,61 0,25 2,57 Сумма монотерпеновых углеводородов 59,50 66,90 52,20 Терпены/сесквитерпены 59,50/40,50 66,86/33,14 52,20/47,80 Примечание. «-» компонент не обнаружен. Note. «-» the component is not detected. Ландшафты и экосистемы в ПН отличаются произрастающей здесь растительностью. Как было сказано выше, в растительном покрове низкого ряма преобладает сосна обыкновенная (Pinus sylvestris L.) -один из основных источников выделения в атмосферу ЛОС, которые, в свою очередь, в ходе фотохимических реакций могут приводить к образованию мелкодисперсного аэрозоля или выступать самим в качестве молекулярных кластеров. Эти частицы и кластеры являются стоком для легких ионов и, в зависимости от их размера, формируют средние и тяжелые аэроионы. Поэтому одной из возможных причин наблюдаемого различия между концентрациями аэроионов, зарегистрированных в начале и конце вегетационного периода (рис. 5, 6), а также на двух участках на ПН 2 (рис. 7), является различная интенсивность взаимодействия аэроионов и ЛОС, в частности терпенов. Концентрация ЛОС в воздухе зависит от интенсивности эманации терпенов из растений, в частности из сосновой хвои, имеющей выраженную сезонную изменчивость, и количества хвойных на разных ландшафтных участках с различной площадью и плотностью покрытия территории. Заключение Данная работа представляет результаты экспедиционных измерений содержания аэроионов в условиях хорошей погоды в приземном слое и хроматографического анализа образцов сосны обыкновенной (Pinus sylvestris L.), выполненных в теплые периоды 2020-2021 гг. Измерения были проведены на лесоболотном ландшафтном профиле и стационаре «Ва-сюганье», которые расположены на территории Бак-чарского болота - северо-восточной периферии Большого Васюганского болотного комплекса. Хроматографический анализ был выполнен в лабораторных условиях в Института мониторинга климатических и экологических систем СО РАН с помощью газового хроматографа. На основе проведенных измерений получены оценки пространственно-временной изменчивости концентрации аэроионов в различных лесоболотных ландшафтах. Отмечено, что с увеличением заболоченности наблюдается снижение концентрации аэроионов. Однако в течение вегетационного периода на всех ландшафтах она возрастает. Результаты хроматографического анализа образцов лапок сосны, отобранных в течение вегетационного периода 2021 г. на одном из пунктов наблюдений в низком ряме, показали определенную зависимость содержания летучих органических соединений, входящих в состав биомассы сосны, от фазы вегетационного периода. Это позволило еще раз подтвердить гипотезу о наличии взаимосвязи аэроионов с летучими органическими соединениями. И все же данное утверждение требует более детального и комплексного исследования.

Скачать электронную версию публикации