Рис. 14. Карта потерь урожая пшеницы и томатов от озона в странах Европы в 2000 году (млн € на квадрат сетки 50 х 50 км)

Доклад научного сотрудника отдела экологических и медицинских проблем Института общей физики им. А. М. Прохорова РАН Сергея Николаевича Котельникова на Первом агротехнологическом форуме Юга России, г. Ростов-на-Дону, 1−2 марта 2017 года.

Из материала «Чистый воздух для жизни» Секретариата Конвенции ООН о трансграничном загрязнении воздуха на большие расстояния:

«Озон вызывает:

  • воспаление легких, респираторные заболевания (например, астма, эмфизема);
  • нарушение функций иммунной системы;
  • ухудшение роста, размножения и здоровья растений;
  • рост восприимчивости растений к болезням, вредителям и неблагоприятному воздействию окружающей среды;
  • снижение урожаев в сельском хозяйстве;
  • изменения в экосистемах в результате изменений водообмена, круговорота минеральных и питательных веществ и мест обитания видов;
  • повреждение или отмирание листьев;
  • разрушение органических тканей».

Каждый год от загрязнения атмосферного воздуха в мире преждевременно умирает семь миллионов человек, что равно численности населения Болгарии (WHO, 2014). Это больше, чем от основных инфекционных заболеваний с высокой смертностью — малярии, туберкулеза и СПИДа, вместе взятых. Появляется все больше научных подтверждений тревожной связи между загрязнением воздуха и здоровьем людей. В соответствии с недавними расчетами Всемирной организации здравоохранения, загрязнение воздуха оказывает более существенное влияние на развитие основных неинфекционных заболеваний, чем считалось раньше. Это самый значительный из всех воздействующих на заболеваемость факторов, связанных с окружающей средой. Загрязнение воздуха вызывает и обостряет целый ряд болезней, от астмы до онкологических, респираторных заболеваний и заболеваний сердца.

В Европе экономические издержки, связанные с преждевременной смертью людей и утратой трудоспособности в результате загрязнения воздуха, составляют около $1,6 трлн и почти равны ВВП Канады 2013 года. Эта астрономическая сумма даёт представление о масштабе проблемы. Согласно недавней оценке, приведенной Европейским агентством по окружающей среде, издержки, вызванные загрязнением от десяти тысяч наиболее крупных источников в Европе, в 2009 году составили от €102 млрд до €169 млрд (EEA, 2013). Дороже всего загрязнение воздуха обошлось в 2009 году Германии (€22,5÷33,8 млрд), Польше (€10,8÷19,0 млрд) и Великобритании (€11,7÷18,7 млрд).

Загрязнение воздуха наносит урон экономике несколькими путями: оно уносит жизни людей, снижает трудоспособность населения, осложняет производство важных для общества товаров, например продуктов питания, снижает способность экосистем выполнять необходимые людям функции, требует затрат на восстановление и возмещение ущерба.

Самый опасный компонент грязного воздуха — приземный озон. Он убивает всё живое и разрушает самые стойкие материалы. Озон — это единственный загрязнитель, концентрации которого выше в сельской местности, чем в городе.

Проблема приземного озона в настоящее время стала носить глобальный характер и является серьёзной угрозой здоровью населения, продовольственной безопасности и приводит к деградации природных экосистем.

В приземном слое атмосферы озон обладает повреждающими свойствами, оказывающими негативное воздействие на здоровье человека и окружающую среду. Повышение концентрации озона в воздухе можно наблюдать в крупных промышленно развитых регионах, в сельских и горных районах. Концентрация озона в воздухе зависит от климатических условий и повышается в теплые засушливые периоды, особенно при аномальных повышениях температуры в летний период. Эти условия могут привести к «озоновым эпизодам», когда пиковые концентрации держатся в течение многих дней.

Озон может оказывать повреждающее воздействие на растительность как на уровне фоновых концентраций, так и во время «озоновых эпизодов». Негативное воздействие озона проявляется в видимых повреждениях листьев. Отмирание части растительной ткани приводит к снижению фотосинтетической активности, а в конечном итоге к замедлению роста растений, потере продуктивности и ухудшению качества урожая. Более 30 видов сельскохозяйственных культур, 90 видов травянистых растений, а также 80 видов деревьев и кустарников в Европе были зарегистрированы как поврежденные озоном. Между 1990 и 2006 годами число зарегистрированных случаев видимых повреждений сельскохозяйственных культур, древесных и травянистых растений в 16 европейских странах превысило 600. Примеры повреждений листьев растений, зафиксированные в странах Европы, показаны на Рис. 1.

Рис. 1. Типичные поражения листьев растений приземным озоном, наблюдающиеся в странах Европы

При попадании озона в клетки живых организмов он образует свободные радикалы, которые повреждают мембраны клеток, нарушают процессы биосинтеза и транспорта и в конечном итоге вызывают локальную смерть клеток (апоптоз).

Рис. 2. Поражение озоном листьев винограда (Южная Швейцария)

Повреждающее действие озона внешне можно идентифицировать по появлению на листьях небольших, с булавочную головку, бледно-желтых, кремовых или бронзового цвета мелких пятен. При высоких концентрациях газа мелкие пятна объединяются, образуя обширные пятна, которые покрывают большие площади поверхности листа.

Рис. 3. Нарастание поражения приземным озоном листьев табака, одного из самых чувствительных к озону растений

Пятна на листьях образуются между жилок листа, они появляются сначала на внешней поверхности листа, а затем распространяются на обе стороны по мере повреждения внутренних тканей листа.

Рис. 4. Нарастание поражения брокколи с ростом концентрации озона на верхней (верхний ряд) и нижней поверхностях листьев

Более старые листья, растущие ближе к основанию побегов, как правило, более подвержены повреждению озоном, чем молодые листья.

Рис. 5. Поражение озоном листьев фасоли сорта Матильда (A, В — молодые листья; С, D — старые)

В случае перекрывающихся листьев верхние листья обычно защищают от повреждений находящиеся под ними.

Рис. 6. Видимые поражения озоном листьев a) граба, б) клевера, в) ивы и г) черёмухи

Негативное воздействие озона может сказываться почти на всех важных сельскохозяйственных культурах в Европе. Сельскохозяйственные культуры по отношению к воздействию озона могут быть классифицированы как

— чувствительные (в том числе пшеница, соя, бобовые и тыквенные культуры);

— умеренно чувствительные (в том числе картофель, ячмень, кукуруза);

— устойчивые (например, овес).

Видимые признаки повреждения озоном растений свидетельствуют о глубоких физиологических и биохимических изменениях в клетках листьев, что в конечном итоге сказывается на качестве продукции растениеводства и приводит к снижению урожайности, ослаблению растений и различным заболеваниям.

Рис. 7. Угнетение роста пшеницы под воздействием озона (Пакистан)

Озон также может отрицательно воздействовать на урожай без видимых повреждений.

Рис. 8. Уменьшение урожайности картофеля при контролируемом повышении концентрации озона

* * *

Повреждение озоном листьев овощных культур

Многие овощные культуры также чувствительны к озону. Загрязнение озоном может привести к снижению урожая (например, помидоров и арбузов) и вызвать видимые повреждения на листовых культурах (например, салата, шпината и цикория), что приведет к уменьшению их рыночной стоимости. Как сообщалось, повреждение листьев вследствие «озоновых эпизодов» приводило к тому, что фермеры полностью теряли урожай лиственных овощей.

Рис. 9. Видимые повреждения озоном листьев салата-латука, свеклы, лука и петрушки

* * *

Повреждение озоном природной растительности

Более 90 видов растительности в Европе были подвержены видимым повреждениям озоном, в том числе виды разнотравья и злаки. Исследования показали, что загрязнение озоном может оказывать невидимое воздействие на луговые виды, такое как снижение устойчивости к стрессу, вызванному засухой. Озон по-разному воздействует на разные виды луговой и пастбищной растительности; зачастую его воздействие может приводить к изменению видового состава сообщества и снижению биоразнообразия.

Рис. 10. Видимые повреждения озоном листьев клевера, василька лугового и ежевики

* * *

Повреждение озоном листьев деревьев и кустарников

Те же ключевые признаки видимых повреждений озоном как на сельскохозяйственных культурах, так и на растительности, наблюдаются у древесных (порядка 80 видов как хвойных, так и лиственных) пород, которые считаются чувствительными к озону.

Рис. 11. Видимые повреждения озоном иголок сосны и листьев ивы

Повреждения озоном приводят к раннему старению и преждевременной потере листвы древесных пород. Тяжесть повреждений разная для разных видов деревьев и зависит как от их возраста, так и от микроклиматических условий.

Рис. 12. Видимые повреждения озоном листьев калины, ясеня, платана и ольхи

* * *

Влияние озона на продовольственную безопасность

Продовольственная безопасность является одной из важнейших проблем нашего века. Результаты глобальных исследований ведущих мировых учёных показывают исключительную опасность влияния приземного озона на продовольственную безопасность во всех странах. Современные глобальные потери урожая оцениваются в 4−15% для пшеницы, 6−16% для сои, 3−4% для риса и 2,2−5,5% для кукурузы (Van Dingenen et al., 2009, Avnery et al., 2011a).

На сайте Управления сельского хозяйства США (USDA) приведен график зависимости снижения урожая сельскохозяйственных культур от сезонной концентрации озона (см. Рис. 12).

Рис. 13. Влияние озона на урожай сельскохозяйственных культур

Глобальные экономические потери от приземного озона оцениваются в диапазоне $11−26 млрд. По расчетам IPCC SRES A2 Scenario (IPCC, 2007), годовые глобальные потери урожая из-за озона к 2030 прогнозируются в диапазоне от 5,4−26% пшеницы, 15−19% сои и 4,4−8,7% для кукурузы, а общемировые потери сельского хозяйства прогнозируются в диапазоне $17−35 млрд. Потери урожая в Индии в целом в 2000 году от озона составили 13% для пшеницы, 6% для риса и 19% для сои. Экономический ущерб, причиняемый производству одной лишь пшеницы в ЕС, ежегодно достигает 4,6 миллиарда евро.

Рис. 14. Карта потерь урожая пшеницы и томатов от озона в странах Европы в 2000 году (млн € на квадрат сетки 50 х 50 км)

Озон не только уменьшает количество продуктов питания за счет снижения урожайности, но также под воздействием озона происходит качественное изменение пищевых свойств плодов. Например, под воздействием озона в семенах рапса снижается содержание протеина и масла, что приводит к дополнительным экономическим потерям и к снижению урожая. А в винограде снижается содержание сахара, и качественный сок из таких плодов уже не получается. Содержание сахаров в арбузах также снижается из-за воздействия озона.

Воздействие озона приводит кснижению качества кормовых растений на пастбищах и лугах для сенокоса и приводит к значительным экономическим потерям: снижение питательных качеств корма приводит к снижению производства молока и мяса.

Убивает озон и деревья. Экономические потери от снижения прибыли при производстве и продаже деревянного бруса только в Швеции оценивается в €56 млн в год. Например, в Швейцарии на основе измерений прироста 4800 деревьев было подсчитано, что снижение годовых темпов роста из-за загрязнения озоном составило 19,5% для лиственных и 6,6% для хвойных лесов в период 1991—2011 (6).

К наиболее чувствительным к воздействию озона растениям среди деревьев относится можжевельник. В крымском заповеднике на мысе Мартьян сохранился крымский эндемик можжевельник высокий. Сегодня 90% деревьев в заповеднике погибли из-за повышения концентраций приземного озона.

Рис. 15. В крымском заповеднике на мысе Мартьян от озона погибло 90% эндемичного древовидного можжевельника высокого (2008 г.)

Первые признаки повышения концентрации приземного озона в Крыму появились еще в 80-е годы.

* * *

Что делать?

Экологическая политика государства должна быть направлена на снижение величины и частоты высоких концентраций озона. Регулирование выбросов предшественников озона является основным механизмом такой политики, и она успешно продемонстрирована на региональном уровне в США и ЕС и привела к снижению пиковых концентраций озона. Системы управления качеством атмосферного воздуха, созданные в этих странах, служат инструментом, с помощью которого осуществляется политика регулирования выбросов загрязняющих веществ. Основой такого инструмента являются автоматизированные сети станций мониторинга качества воздуха.

Чтобы оценить реальные последствия от воздействия приземного озона на сельское хозяйство региона, необходимо:

1) создать сеть станций мониторинга приземного озона, для чего разработать совместное техническое задание;

2) построить на основе поля концентраций приземного озона поле снижения прироста биомассы деревьев и урожая сельскохозяйственных культур;

3) оценить реальные экономические потери от приземного озона;

4) разработать новые и внедрить отработанные в мире методики снижения потерь урожая от воздействия озона;

5) в селекционных программах следует проводить испытание сортов на предмет чувствительности к озону, разработать более устойчивые сорта.

6) имея оперативную информацию о концентрациях озона, применять агротехнические приемы для снижения его отрицательного воздействия (сроки посадки, полив, специальные подкормки и т.д.);

7) существует острая необходимость повышения осведомленности о воздействии озона на продовольственную безопасность в России.