Ионизирующая роль древесных насаждений курортов

Актуальность исследования обусловлена недостаточной изученностью влияния древесной растительности курорта на формирование режима легких аэроионов в приземной атмосфере курорта [1—3]. Аэроионы являются важной составляющей электрического поля атмосферы, обладают потенциалом биологического воздействия, активность которого определяется величиной коэффициента униполярности ионов (КУИ), представляющего собой отношение количества положительных (N+) аэроионов к количеству отрицательных (N−) аэроионов (ОАИ) в единице объема (м³, см³) [4]. Легкие аэроионы являются важнейшими индикаторами качества лечебного климата [5], они обеспечивают полифункциональность условий для эффективного климатолечения на территории курортов и рекреационных местностей [6—8]. С методических позиций по параметрам природной аэроионизации оценивается качество приземной атмосферы [9], а также потребность в оптимизации лечебного микроклимата на территории отдельных санаторно-курортных организаций санаторно-курортного комплекса Федерального медико-биологического агентства России (СКО СКК ФМБА России) [10, 11].

О позитивной роли ОАИ при аэротерапии, природной аэроионотерапии в период санаторно-курортного лечения и оздоровления указано в ряде публикаций [12, 13]. Древесная растительность обеспечивает основные средозащитные и средоформирующие функции приземной атмосферы, среди которых важная роль отводится поддержанию высокого качества атмосферного воздуха с оптимальным уровнем ОАИ и КУИ в нем [14, 15].

Несмотря на большое количество исследований, опубликованных в отечественной и зарубежной литературе, влияние факторов окружающей среды на концентрацию ОАИ изучена в недостаточной степени [16, 17]. Особый интерес представляют результаты научных исследований о связи уровня ОАИ с процессами фотосинтеза растений [18], об обратно пропорциональной зависимости коэффициента униполярности легких аэроионов (N+/N−) от скорости ветра в насаждениях явора (Acer pseudoplatanos L.) и параболической зависимости с его фитонцидной активностью [19], а также о механизмах утилизации атмосферного аэрозоля PM2,5 и PM10, летучих органических соединений (ЛОС) из приземной атмосферы древесных насаждениях под влиянием ОАИ [20—22], что подтверждает сложный характер аэроионоформирующей роли древесных насаждений.

Антропогенные воздействия, процессы урбанизации, а также снижение объемов озеленения, отмечающиеся практически на всех курортах (уплотнение застройки, выбросы автотранспорта, снижение площади и общей фитомассы древесной растительности), негативно влияют на подстилающую поверхность, свойства приземной атмосферы и качество лечебного климата на территориях отдельных СКО СКК ФМБА России и общекурортных зеленых зон (терренкуров, парков, лесопарков, прогулочных бульваров и других мест массового пребывания пациентов на курорте) [23]. С позиций усиления государственного контроля за качеством природных лечебных ресурсов на отечественных курортах, в том числе и в отношении лечебного климата [24], актуализируется проблема оценки аэроионоформирующей роли древесных насаждений и разработка методов направленной коррекции лечебного микроклимата на территориях СКО СКК ФМБА России [25].

Цель исследования — изучение аэроионоформирующих функций древесных хвойных и лиственных насаждений и возможностей оптимизации лечебного климата на климатолечебных площадках и терренкурах СКО России.

Материалами исследования служили протоколы комплексных маршрутных лесотаксационных, микробиоклиматических, экологических исследований в хвойных и лиственных лесопарковых насаждениях на территориях общекурортных парков, терренкуров, территориях СКО СКК ФМБА России в разных природных зонах Московской и Ивановской областей, Краснодарского и Ставропольского краев за 2017—2024 гг. [26].

Методами исследования являлись: маршрутный микроклиматический мониторинг и таксация леса [27]. На указанных курортных территориях были заложены пробные площади (ПП), на которых осуществлялись измерения стандартного комплекса ландшафтно-климатических показателей, характеризующих качество и курортологический потенциал приземной атмосферы: природной аэроионизации — количества положительных (N+) и отрицательных (N−) аэроионов (с подвижностью k≥0,4 см² В^–1 с^–1); температуры (°C) и относительной влажности (%) воздуха; давления воздуха (гПа); освещенности (кЛк) открытых мест и под пологом древесных насаждений; а также уровень приземного аэрозоля с экологическими факторами риска во фракциях с диапазонами размеров частиц Σ0,2—5,0 мкм и выше; 0,2—0,3 мкм; 0,3—0,4 мкм; 0,4—0,5 мкм; 0,5—0,7 мкм; 0,7—1,0 мкм; 1,0—2,0 мкм; 2,0—3,0 мкм; 3,0—5,0; выше 5,0 мкм.

Оценка таксационных показателей древостоев, характеризующих их структуру и породный состав, а также показателей экологического состояния подстилающей поверхности, уровня природных ОАИ, КУИ, аэрозоля и других курортологических индикаторов ландшафтно-климатического потенциала приземной атмосферы была выполнена в соответствии с методическими рекомендациями ФМБА России [9].

КУИ рассматривали как важный курортологический показатель качества атмосферного воздуха. Чем ниже значение этого показателя, тем выше доля отрицательных легких аэроионов в приземной атмосфере и выраженнее их лечебно-оздоровительные функции [28].

В исследованиях использовали следующие средства измерений и инструменты: метеоскоп — М (№32014-11 в Госреестре СИ РФ); малогабаритный аэроионный счетчик МАС-01 (№20429-11 в Госреестре СИ РФ); люксметр ТКА-ПКМ (0,5) (№24248-09 в Госреестре СИ РФ); анализатор аэрозоля САЧМ 4801-01 (№76936-19 в Госреестре СИ РФ); мерная вилка, мерная лента, высотомер Blume-Leiss.

Статистическую обработку данных выполняли с помощью программы Microsoft Excel Professional Plus 2019/16.0.18623.20208.

Результаты оценки таксационных, экологических и микробиоклиматических показателей на ПП древесных насаждений на территориях СКО СКК ФМБА России и прилегающих к ним общекурортных парков приведены в таблице.

Интегральная характеристика таксационных, экологических и микробиоклиматических показателей на пробных площадях древесных насаждений на территориях СКО СКК ФМБА России и прилегающих к ним общекурортных парков

Примечание. ΣАЧ≤5 мкм — среднее количество аэрозольных частиц размером менее 5 мкм в приземной атмосфере; ЗД — запас древостоя, м³/га; КУИ — коэффициент униполярности ионов, КУИ=(N+)/(N−); ОДП — освещенность под древесным пологом, кЛк; ОДПоК — освещенность под древесным пологом относительно контроля, %; ТВДП — температура воздуха под древесным пологом, °C; ОВВПД — относительная влажность воздуха под древесным пологом,%; СВДП — скорость ветра под древесным пологом, м/с; АД — атмосферное давление, гПа.

Типовыми микроклиматическими показателями, используемыми для характеристики качества приземного пространства под пологом древесных насаждений, явились такие природные факторы, как аэроионизация (ОАИ, КУИ), гигротермические, динамические, радиационные, экологические характеристики климата (температура и влажность воздуха, освещенность приземного пространства, атмосферное давление, скорость ветра и др.).

На основе результатов анализа маршрутных исследований была построена модель динамики КУИ под влиянием температуры воздуха под древесным пологом насаждений (рис. 1). При этом температура воздуха в эксперименте находилась в пределах значений теплого времени года (от 15 до 32 °C).

Рис. 1. Эмпирическая модель регрессии КУИ в зависимости от значений температуры приземного слоя воздуха древесных насаждений.

Регрессия КУИ от значений температуры является прямо пропорциональной и имеет линейную форму.

Уравнение регрессии:

Y=0,0206X+0,3953, (1)

где: Y — КУИ; X— температура воздуха, °C.

Коэффициент детерминации: R²=0,1981; коэффициент корреляции r=0,445; ошибка уравнения: S_r=0,20; критерий существенности связи: t_r=2,23>t_0,05=2,10.

Модель достоверна при 5% уровне значимости. Корреляционная зависимость между признаками средняя [29].

Невысокое значение корреляционной зависимости КУИ от температуры объясняется высокой вариабельностью этого признака под влиянием других метеофакторов (влажность воздуха, скорость ветра и др.), а также широким разнообразием природно-климатических условий объектов исследования и в значительной степени особенностями изучаемых насаждений, их таксационными показателями. Так, температура воздуха под древесным пологом напрямую зависит от интенсивности солнечной радиации, проникающей сквозь кроны деревьев. Просветы в кронах и в промежутках между ними обеспечиваются структурными особенностями насаждений, характеризуемые их таксационными (биометрическими) показателями. Кроме того, на температуру подпологового пространства насаждений влияет боковое освещение, которое имеет существенное значение при небольших размерах древесных куртин (менее 1 га), расположенных на открытых санаторных территориях.

Форма и направленность регрессии КУИ под действием температуры воздуха (см. рис. 1) согласуется с выводами коллег, определившими отрицательную корреляцию концентрации ОАИ в лесной среде с температурой воздуха в летне-осенний период года [3].

Менее вариабельной в отношении КУИ является влажность воздуха (рис. 2, см. таблицу).

Рис. 2. Эмпирическая модель регрессии КУИ под влиянием влажности приземного слоя воздуха под пологом древесных насаждений.

Уравнение регрессии:

Y=–0,0003X²+0,0228X+0,6853, (2)

где: Y — КУИ; X — относительная влажность воздуха, %.

Коэффициент детерминации: R²=0,3335; коэффициент корреляции: r=0,5775; ошибка коэффициента корреляции: S_r=0,1732; критерий существенности коэффициента корреляции: t_r=3,33>t_0,01=2,88.

Корреляционная зависимость между показателем КУИ и значениями влажности воздуха средняя, достоверная при 1% уровне значимости. Форма регрессии нелинейная, полиноминальная, графически представляет собой ветвь параболы, имеющую обратно пропорциональную направленность. Это согласуется с результатом предыдущих наших исследований, когда была установлена параболическая зависимость КУИ от влажности воздуха в насаждении явора в Кисловодском курортном парке [30]. Очевидно, что в диапазоне значений относительной влажности воздуха (30—70%), использованных в модели (2), наблюдается снижение значений КУИ с увеличением показателей влажности воздуха. Это свидетельствует об увеличении доли отрицательных ионов в воздухе с увеличением его влажности, что улучшает показатели ионизации воздуха. Эта связь подтверждается рядом литературных источников [31, 32]. Об этом же говорит факт снижения значений КУИ воздуха в местах распыления воды (водопады, фонтаны, горные реки и др.). Установлению связи процесса ионизации воздуха с абиотическими природными факторами посвящен ряд литературных источников [33].

В проведенных исследованиях КУИ под древесным пологом снижался с уменьшением освещенности в интервале от 0 до 25 кЛк (рис. 3).

Рис. 3. Эмпирическая модель регрессии КУИ под влиянием освещенности под древесным пологом насаждений.

Эмпирическая модель регрессии КУИ от освещенности имеет логарифмическое выражение:

Y=0,166ln(X)+0,6367, (3)

где: Y — КУИ; Х — освещенность, кЛк.

Коэффициент детерминации: R²=0,4533; коэффициент корреляции: r=0,6733, что по [29] является средней корреляционной зависимостью; ошибка коэффициента корреляции: S_r=0,15; критерий существенности коэффициента корреляции: t_r=4,56>t_0,001%=4,07, что свидетельствует о достоверности связи при 0,1% уровне значимости [29].

По данным исследователей из Китая [20], при антициклонических типах атмосферной циркуляции, в солнечную погоду, как и в настоящем исследовании, отмечались случаи снижения концентрации ОАИ.

На значительное различие в концентрации ОАИ по ярусам растительности в селитебной среде (голая земля, газоны, кустарники, деревья) указывал В.А. Севостьянов (2012) [34]. Концентрация ОАИ на территориях, лишенных растительности, с сильным загрязнением атмосферы приближается к нулю [35].

С учетом значения фитофактора в формировании благоприятного ионизационного фона окружающей среды был проведен ряд исследований в этом направлении. В результате установлена достоверная связь динамики КУИ с показателем среднего диаметра древостоя [1].

Впервые установлена статистическая связь КУИ с величиной древесного запаса насаждений (см. таблицу, рис. 4).

Рис. 4. Эмпирическая модель регрессии КУИ в зависимости от величины древесного запаса насаждений, м³/га.

Уравнение регрессии:

Y=–0,0014X+1,2885, (4)

где: Y — КУИ; X — древесный запас насаждений, м³/га.

Коэффициент детерминации: R²=0,548; коэффициент корреляции: r=0,7403; ошибка уравнения: S_r=0,158; критерий существенности коэффициента корреляции: t_r=4,685>t_0,001=3,92.

Корреляционная зависимость между показателем КУИ и значениями древесного запаса насаждений — высокая, достоверная при 0,1% уровне значимости [29].

Очевидно, что величина древесного запаса насаждений как фактор влияния на ионизацию воздуха и его лечебно-оздоровительное качество имеет с ней более тесную связь, чем абиотические факторы микроклимата, такие как температура и влажность приземного воздуха. Вызывает особое внимание то обстоятельство, что в модели (4) представлены хвойные и лиственные древостои искусственного и естественного происхождения, обследованные в различных природно-климатических зонах России, имеющие различный видовой состав.

На связь ионизации воздуха с выделением древесной растительностью летучей органики (фитонцидов) указывали многие исследователи [19, 32, 33]. Хвойные и лиственные древесные растения имеют различный химический состав летучей органики. Семейство сосновых представлено преимущественно терпенами (a-Пинен, b-Пинен и др.). Состав летучих метаболитов лиственных древесных пород более сложен. У дуба, осины, тополя превалирует углеводород изопрен; у березы повислой — спирт Гексен-3-ол-1 [19]. Тем не менее данные КУИ хвойных и лиственных древесных насаждений органично вписываются в общую модель не зависимо от их систематического положения, что свидетельствует об универсальности установленного природного явления.

Важное экологическое значение для приземной атмосферы курорта имеет мелкодисперсный аэрозоль с диаметром частиц менее 5 мкм, наиболее патогенный при дыхании. Высокий уровень такой аэрозольной составляющей, приносимой в основном с дрейфом воздушных масс, как правило, с удаленных от курорта территорий, по данным мониторинга на территориях СКО СКК ФМБА России, задерживается здесь на неопределенное время (от нескольких минут до нескольких часов или суток). Тем не менее такие ситуации могут существенно повлиять на качество воздушной среды курорта, ее «свежести» и лечебно-оздоровительной значимости.

В результате проведенных исследований получена эмпирическая модель регрессии показателя КУИ от динамики значений тонкодисперсного аэрозоля (размер частиц менее 5 мкм) в приземной атмосфере:

Y=0,2243X^{0, 4842}, (5)

где: Y — КУИ; Х — тонкодисперсный аэрозоль (ч-ц/см³) в подпологовом пространстве парка.

Форма регрессии — степенная; теснота связи средняя [29]. Коэффициент детерминации: R²=0,29; коэффициент корреляции: r=0,54; число степеней свободы (f) составляет 15; ошибка уравнения: Sr=0,158; критерий коэффициента корреляции: tr=2,49>t_0,05=2,13, связь существенна при 5% уровне значимости (рис. 5) [29].

Рис. 5. Динамика КУИ в зависимости от концентрации тонкодисперсного аэрозоля (размер частиц менее 5 мкм) в 1 см³ воздуха под пологом древесных насаждений.

В целом аэрозольное загрязнение приземной атмосферы является реальным фактором риска снижения качества приземного воздуха. Взаимодействие многих факторов окружающей среды формирует сложную зависимость и неоднозначное влияние на качество приземной атмосферы. Эта проблема требует дальнейшего изучения.

Установленное в процессе многолетних исследований влияние фиторесурсов в подпологовом пространстве в различных типах древесных насаждений на ионизационный фон приземного воздуха на пробных природных площадях позволило не только выявить ионизационную функцию леса, но и обосновать решение таких важных прикладных задач, как регулирование древесного озеленения на территориях курортов и санаторно-курортных организаций и курортных парков (а также селитебных зон городов и поселков курортного типа) с целью оптимизации лечебного микроклимата в целях повышения эффективности санаторно-курортного лечения и медицинской реабилитации разных социально значимых заболеваний.

Полученные данные вносят новое в понимание роли, депонируемого древесной растительностью атмосферного углерода в процессе ионизации приземной атмосферы, что имеет важное курортологическое значение.

Экологический потенциал ряда курортных территорий и СКО СКК ФМБА России чувствителен к антропогенным нагрузкам (в том числе и на удаленных от курортов территориях), а также к процессам урбанизации и факторам озеленения с учетом объемов их древесных фиторесурсов. К сожалению, эти особенности не учитываются при озеленении курортных бульваров, курортных парков, терренкуров, в результате чего снижается качество приземной атмосферы по природной аэроионизации, уменьшается степень комфортности пребывания пациентов на открытом воздухе, особенно летом, из-за условий перегрева и опасности получения солнечного ожога из-за отсутствия «зеленой тени» над пешеходами. Указанные факторы риска на курортах подтверждаются тесной взаимосвязью КУИ с уровнем тонкодисперсного аэрозоля (размером частиц менее 5 мкм), полученной по результатам маршрутных исследований на территориях СКО СКК ФМБА России в разных природных зонах России. С научно-практической точки зрения представляет значительный интерес организация системного экологического мониторинга на территориях СКО СКК ФМБА России, тем более что в настоящее время появляются вполне бюджетные приборы для экспресс-измерений и регистрации различных параметров качества приземной атмосферы курорта. Вопросы экологического состояния территорий СКО СКК ФМБА России в разных природных зонах России требуют пристального внимания, дополнительного изучения и разработки мер по оптимизации микроклиматических условий для комфортного пребывания пациентов на свежем воздухе и организации круглогодичной климатоландшафтотерапии.

Авторы выражают благодарность старшему научному сотруднику Института физики атмосферы Российской академии наук им. А.М. Обухова кандидату физико-математических наук Ирине Анатольевне Сеник за консультации в процессе проведении маршрутных аэрозольных наблюдений.

Участие авторов: концепция и дизайн исследования — Слепых В.В., Поволоцкая Н.П.; сбор материала — Слепых В.В., Поволоцкая Н.П., Репс К.Г., Слепых И.В.; статистическая обработка — Слепых В.В., Слепых И.В.; анализ полученных данных — Слепых В.В.; написание текста —Поволоцкая Н.П.; редактирование — Слепых В.В., Репс К.Г.

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.