CC BY
35
УДК 577.11:620.267
НЕКОТОРЫЕ ПОКАЗАТЕЛИ БИОЛОГИЧЕСКОГО КРУГОВОРОТА И 39К В ЛЕСНЫХ ЭКОСИСТЕМАХ БРЯНСКОГО ПОЛЕСЬЯ В ОТДАЛЕННЫЙ ПЕРИОД ПОСЛЕ ЧЕРНОБЫЛЬСКИХ ВЫПАДЕНИЙ
А.И. Щеглов, О.Б. Цветнова, А.А. Касацкий
На примере лесных экосистем Брянского Полесья рассматриваются особенности биологического круговорота 137С8 и 39К в отдаленный период после чернобыльских выпадений. Показано, что в исследуемых фитоценозах максимальные запасы 137С8 в общей фитомассе сосредоточены в древесине, минимальные — в наружных слоях коры; в годичной продукции — в ассимилирующих органах и наружных слоях коры соответственно. Распределение запасов 39К в общей фитомассе и годичной продукции практически аналогично таковому 137С8. В настоящий период поступление 137С8 в почву с опадом составляет в сосняках и березняках около 50% от емкости биологического круговорота. В наибольшей степени он поступает с ассимилирующими органами (хвоя, листья). В сосняках возврат 39К в почву с опадом наиболее близок к наблюдаемому для 137С8 .
Ключевые слова: биологический круговорот, радионуклиды, 137С8, 39К, запасы фитомассы, годичная продукция, опад.
Введение
Биогеохимическая миграция радионуклидов является основным процессом, определяющим перераспределение радиоактивных элементов в биосфере. Исследования по данному направлению на примере модельных экспериментов, глобальных и Кыштым-ских выпадений получили свое развитие в трудах В.М. Клечковского, Н.В. Тимофеева-Ресовского [6, 13]. Разработки их учеников и последователей — Р.М. Алексахина и М.А. Нарышкина, Н.В. Куликова, Ф.А. Тихомирова, Э.Б. Тюрюкановой и А.Н. Тюрюка-нова и др. [1, 7, 8, 14, 15] — позволили сформулировать основные положения биогеохимии техногенных радионуклидов и показать особенности биологического круговорота этих элементов. Была установлена роль растительного покрова в задерживании первичных аэральных выпадений, выявлены особенности вторичного перераспределения радионуклидов по структурным компонентам фитомассы, отмечены особенности их аккумуляции в надземной и подземной фитомассе и др. [1, 8].
В последующие годы это направление в радиоэкологии интенсивно развивалось, особенно в постчернобыльский период. Уже в натурных исследованиях было подтверждено, что в кронах деревьев удерживается до 90% выпавшей активности [5, 9—11, 18, 20, 21 и др.]. В настоящее время основная ее часть сосредоточена в почве, как правило, в самых поверхностных слоях. Последнее отличает распределение техногенных радионуклидов, в частности 137Cs, от распределения его химического аналога — калия, который, как известно, по всей корнеобитаемой толще распространен более равномерно. Проведенные ранее исследования также показали, что биологический круговорот (БК) 137Cs на начальных этапах после радиоактивных выпадений характеризуется значительным преобладанием нисходящих потоков радионуклидов
над восходящими. Так, в первые годы поступление 137Сб в составе растительного опада более чем на порядок превышало его корневое потребление. Предполагалось, что в последующем показатели БК 137С8 и 39К будут выравниваться. Однако полученные нами данные свидетельствуют о том, что в лесных экосистемах лесостепной зоны, подвергшихся радиоактивному загрязнению, в динамике отмечается не сглаживание, а нарастание указанных различий [17, 19, 20]. В связи с этим целью настоящей работы явилось выявление особенности биологического круговорота 137Сб и 39К в основных типах лесных экосистем европейской части территории России, подвергшейся радиоактивному загрязнению в результате аварии на Чернобыльской АЭС (1986 г.). В данной работе приводятся результаты исследований, проводимых в лесных экосистемах Брянского Полесья.
Объекты и методы исследований
Исследования проводили в 2008—2010 гг. на двух участках лесных экосистем Брянской обл. (Красногорское лесничество, Красногорский р-н), характеризующихся наиболее высокой плотностью радиоактивного загрязнения в РФ [1].
В сосняке-зеленомошнике (70 лет) и березняке злаково-разнотравном (50 лет), сформированных на песчаных подзолах, были заложены пробные площади размером 50x50 м, которые разделялись только просекой. Изучение показателей биологического круговорота осуществляли по методикам, традиционно принятым в данной области [3, 12 и др.]. Экспериментальный материал для оценки показателей биологического круговорота органического вещества и исследуемых элементов (137С8 и 39К) получали непосредственно на пробных участках. Отбор проб в древесном ярусе проводили из модельных деревьев, которые выбирали с учетом его таксационного описания.
Модельное дерево, близкое по параметрам к среднему для данной возрастной категории, спиливали и разделяли на структурные части: листья/прирост хвои текущего года формирования, хвоя прошлых лет, ветви крупные (толщиной > 1 см), ветви мелкие (толщиной < 1 см). Среднюю пробу для каждого из указанных компонентов формировали из всей кроны. Пробы коры наружной (пробка), внутренней (флоэма) и древесины отбирали из выпил ов, сделанных на разной высоте ствола — вершине, середине и у комля [18, 21].
Для определения степени загрязнения почв по 137С8 и содержания подвижного калия на исследуемых участках были заложены разрезы, из которых послойно, с учетом генетических горизонтов производили отбор почвенных образцов. Запасы фитомассы и годичной продукции в древесном ярусе рассчитывали на основании экспериментального материала и математических зависимостей, полученных для исследуемых фитоценозов Брянской обл. в результате предшествующих исследований [18, 21]. Количественную оценку поступления органического вещества в составе опада осуществляли с помощью опадоуловителей (площадь 1x1 м), которые устанавливали на каждой площадке в 10-кратной повторности. Опад собирали один раз в год — поздней осенью после окончания массового листопада.
Подготовку образцов почв и растений к анализу и измерение удельной активности 137С8 проводили по
Рис. 1. Вертикальное распределение удельной активности 137Сб в профиле исследуемых почв
Рис. 2. Вертикальное распределение обменного калия в профиле исследуемых почв
стандартным методикам на сцинтилляционном гамма-спектрометре с обработкой амплитудного спектра импульсов с помощью программы «ПРОГРЕСС» [16]. Содержание калия определяли общепринятыми методами: обменный калий в почве — по Кирсанову, в растениях — на пламенном фотометре после мокрого озоления [4].
Результаты и их обсуждение
Проведенные исследования показали, что плотности загрязнения почв соснового и березового фито-ценозов по 137С8 близки и составляют около 9300 кБк/м2. При этом показатели содержания и распределения радионуклида в профиле почв обоих участков значимо не различаются: максимальная удельная активность и запасы цезия (до 90%) отмечаются в подстилке (подгоризонт О3) и прилегающей 0—5-сантиметровой минеральной толще (рис. 1).
Концентрация обменного калия в почве варьирует от 0,2 до 2,3 мг/100 г, при этом, как уже отмечалось, его распределение в профиле по сравнению с таковым 137С8 характеризуется иным типом: в органогенном горизонте лесной подстилки наблюдается биогенная аккумуляция элемента, в минеральных слоях его содержание заметно снижается и затем достаточно равномерно распределяется по всей исследуемой толще, несколько увеличиваясь к материнской породе (рис. 2).
Анализ продукционных процессов свидетельствует о том, что по величине общей фитомассы и годичной продукции сосновое и березовое насаждения различаются незначительно — общие запасы фито-массы составляют 21300—2350 ц/га, годичной продукции — 51,0 и 57,0 ц/га соответственно (табл. 1). Основное отличие заключается в показателях возврата органического вещества в почву. Так, в березняках почти 52% от годичного прироста поступает в почву, а в сосняках — на 10% меньше.
Как известно, химический состав растений в первую очередь отражает элементный состав почвенной среды. Вместе с тем целый ряд факторов также влияет на этот показатель, поэтому содержание стабильных элементов в растениях достаточно изменчиво и колеблется в широких пределах в зависимости от климатических условий, местоположения экотопа в ландшафте, биологических особенностей вида, структурной части и возраста растения, физиологической роли потребляемого элемента и др. При этом в условиях загрязнения, в том числе радиоактивного, накопление элементов в растениях находится в прямой зависимости от уровня загрязнения почв.
Как показали наши исследования, концентрация стабильного калия в структурных компонентах сосны и березы варьирует в пределах 0,01—1,0%, что соответствует данным других авторов, полученным в работах по биологическому круговороту в лесных экосистемах [8 и др.] (табл. 2).
Таблица 2
Удельная активность и концентрация стабильного калия в компонентах древесного яруса соснового и березового БГЦ
Таблица 1
Круговорот органического вещества в лесных фитоценозах Брянского Полесья
Фитоценоз Запасы фитомассы, ц/га Показатели биологического круговорота
годичный прирост удерживается в фитомассе поступает в почву с опадом и отпадом
ц/гатод % ц/гатод % ц/гатод %
Сосняк 2100 51,50 100 30,00 58,25 21,50 41,75
Березняк 2350 57,00 100 27,50 48,25 29,50 51,75
Структурный компонент древостоя Сосна Береза
137Сз, кБк/кг 39К, % 137Сз, кБк/кг 39К, %
Древесина 4,2 0,02 6,4 0,02
Кора внутренняя 18,5 0,07 33,4 0,17
Кора наружная 4,30 0,01 13,4 0,03
Ветви крупные 9,9 0,09 8,4 0,05
Ветви мелкие 27,0 0,15 22,3 0,25
Прирост текущего года/листья 38,0 1,0 34,6 0,35
Хвоя прошлых лет формирования 30,0 0,25 — —
Опад 18,0 0,14 16,0 0,17
Удельная активность 137С8 в компонентах рассматриваемых древесных пород также неравномерна и колеблется приблизительно в одном диапазоне — 4,2—38,0 кБк/кг (сосна) и 0,35—6,4 кБк/кг (береза) (табл. 2).
Обращает на себя внимание тот факт, что при корневом поступлении распределение 137С8 в древесных растениях в целом соответствует таковому его неизотопного макроаналога — калия, для которого характерен следующий ряд накопления по структурным частям: прирост текущего года/листья ^ хвоя прошлых лет формирования ^ кора внутренняя ^ ветви мелкие ^ ветви крупные ^ древесина ^ кора наружная. По нашим данным, коэффициенты корреляции между распределением калия и 137С8 по компонентам березы и сосны составляют соответственно 0,84 и 0,86 (Р = 0,95).
Таким образом, цезий, как и калий, накапливается в физиологически активных органах и тканях (в ассимилирующих органах текущего года формирования, в побегах текущего года, в наружных частях камбия и т.д.). Однако на распределение данного радионуклида заметное влияние оказывают биологические особенности вида, а также строение наружных слоев коры, предопределяющих уровни загрязнения растений на этапе аэральных выпадений.
В биологическом круговороте важным показателем является возврат элементов с опадом. Нашими исследованиями установлено, что концентрация калия в опаде в 1,5—3 раза меньше, чем в ассимилирующих аналогах, что связано с оттоком элемента перед опа-дом и выщелачиванием. Активность опада по 137С8 в биогеоценозах близка и не превышает 14—18 кБк/кг (табл. 2).
Балансовые расчеты запасов 137С8 и калия показали, что в соответствии с величиной органической массы и концентрацией элементов максимальный вклад в общую фитомассу вносит древесина, минимальный — наружные слои коры (рис. 3). В годичной продукции и приросте наибольшее содержание элементов отмечается в ассимилирующих органах текущего года формирования (прирост и листья), наименьшее — также в коре наружной.
В настоящее время на исследуемой территории, как уже отмечалось, наблюдается активное корневое потребление 137С8 растениями и соответственно его накопление в структурных органах древостоя. В связи с этим поток радионуклидов, ежегодно поступающих на поверхность почвы с растительным опадом, достаточно высок. Так, масса опада в исследуемых фитоценозах колеблется от 0,21 кг/м2 в сосняках до 0,29 кг/м2 в березняках. Основной вклад в поступле-
Рис. 3. Запасы 39К (кг/га) и 137С8 (кБк/м2) в общей фитомассе (светлые столбцы) и годичной продукции
(черные столбцы) сосняков (А) и березняков (Б)
ние растительных остатков в почву составляют ассимилирующие органы — листья и хвоя. Второе место занимают мелкие ветви и морфологически плохо идентифицируемые и трудноразделимые фрагменты диаметром < 2 мм (так называемые «прочие»).
Поток радионуклидов в почву определяется не только его массой, но и удельной активностью 137С8 в различных фракциях. По нашим данным, максимальна она во фракции «прочие» (21,5 кБк/м2) и мелких ветвях (18,0 кБк/м2), ассимилирующие органы загрязнены несколько меньше (11,6 кБк/м2). Снижение удельной активности 137С8 в компонентах опада по сравнению с вегетирующими аналогами связано с его выщелачиванием в процессе трансформации опада. Данные закономерности формирования химического состава опада характерны и для калия, что еще раз указывает на сходство поведения рассматриваемых элементов.
Полученные нами данные свидетельствуют о том, что в настоящее время показатели круговорота К и 137С8 в сосняках и березняках Брянского Полесья практически совпадают и в годовом цикле характеризуются незначительным превышением количества элементов, задерживающихся в фитомассе, над их возвратом
в почву (рис. 4). Так, в сосняках поступление 137С8 в почву с опадом составляет 47, а К — 45%. В фитомас-се задерживается соответственно 53 и 55% элементов от емкости БК. В березняках в составе растительного опада в почву поступает цезия 49, а калия 40%, т.е. в фитомассе задерживается 51% 137С8 и 60% К от емкости БК. Это связано с тем, что интенсивность выщелачивания данных элементов из фитомассы структур, формирующих опад, различна: она выше в березняках, а среди элементов — для калия.
Анализ показателей БК 137С8 в начальный и отдаленный периоды после выпадений позволяет констатировать, что в начальный период поступление элемента в почву с опадом почти в 10 раз превышало его потребление из почвы [18, 21]. В настоящее время в лесах Брянского Полесья на песчаных подзолах показатели БК 137С8 практически совпадают с таковыми его химического аналога — калия. Это существенно отличает БК 137С8 и 39К в лесах ближней зоны выпадений. Наши исследования показали, что в отдаленный период после чернобыльских выпадений (более 20 лет) биологический круговорот 137С8 на темно-серых лесных почвах элювиальных ландшафтов дальней зоны выпадений (Тульская обл.) отличается от
Рис. 4. Особенности биологического круговорота 137С8 и 39К в сосновом (А) и березовом (Б)
насаждениях
БК изотопов калия и по-прежнему характеризуется значительным доминированием нисходящих потоков элемента [17, 20].
Выводы
• В настоящее время плотность загрязнения почв лесных экосистем Брянского Полесья, подвергшихся радиоактивному загрязнению в результате аварии на Чернобыльской АЭС (1986 г.), составляет 9300 кБк/м2 по 137С8. Основное количество активности сосредоточено в лесной подстилке и 0—5-сантиметровом подстилающем слое.
• Удельная активность 137С8 в структурных компонентах сосняков и березняков колеблется от 4 до 38 кБк/кг и уменьшается в ряду Х ^ КВ ^ ВМ ^ КН ^ ВКр ^ Д — в сосняках; Л ^ ВМ ^ КВ ^ ВКр ^ КН ^ Д — в березняках (рис. 3). Концентрация калия в структурных компонентах исследуемых древостоев колеблется от 0,01 до 1% и в анализируемых рядах изменяется аналогично 137С8. Коэффициент корреляции между распределением 39К и 137С8 по структурным компонентам в среднем составляет 0,85 при Р = 0,95.
• Адекватность в распределении 137С8 и его химического аналога калия по структурным компонентам
исследуемых древостоев свидетельствует об однотипности их поступления (корневым путем) и сходстве в поглощении растениями.
• Содержание 39К и 137С8 в структурных компонентах опада сосны в 1,5—2 раза меньше, чем в веге-тирующих аналогах. В березняках эти различия выше и достигают двукратных величин для цезия и семикратных для калия. Интенсивность их выщелачивания из фитомассы структур, формирующих опад, в исследуемых фитоценозах различна: она выше в березняках, а среди элементов — для калия.
• В исследуемых фитоценозах максимальные запасы 137С8 в общей фитомассе сосредоточены в древесине, минимальные — в наружных слоях коры; в годичной продукции — в ассимилирующих органах и наружных слоях коры соответственно. Распределение запасов калия в общей фитомассе и годичной продукции практически аналогично таковому 137С8.
• В настоящее время поступление 137С8 в почву с опадом составляет в сосняках 47, в березняках 49% от емкости БК. В наибольшей степени элемент поступает с ассимилирующими органами (хвоя, листья). В сосняках возврат калия в почву с опадом близок к наблюдаемому для цезия и составляет 45%; в березняках этот показатель ниже — 40%.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Алексахин Р.М., Нарышкин М.А. Миграция радионуклидов в лесных биогеоценозах. М., 1977.
2. Атлас загрязнения Европы цезием после чернобыльской аварии. Люксембург, 1998.
3. Базилевич Н.И., Титлянова А.А., Смирнов В.В. и др. Методы изучения биологического круговорота в различных природных зонах. М., 1978.
4. Воробьева Л.А. Химический анализ почв. М., 1998.
5. Дворник A.M. Радиоэкологическая оценка лесных экосистем после ядерных аварий: методология, моделирование, прогноз: Автореф. дис. ... докт. биол. наук. Гомель, 1998.
6. Клечковский В.М. О поведении радиоактивных продуктов деления в почвах, их поступлении в растения и накоплении в урожае. М., 1956.
7. Куликов Н.В., Пискунов Л.И. О роли растений в вертикальной миграции стронция-90 и цезия-137 в почве // Агрохимия. 1970. № 7.
8. Махонина Т.Н., Тимофеев-Ресовский Н.В., Титлянова А.А., Тюрюканов А.Н. Распределение стронция-90 и цезия-137 по компонентам биогеоценоза // Докл. АН СССР. 1961. Т. 140, № 5.
9. Орлов А.А., Краснов В.П., Коссинский В.П. Особенности биогеохимии 13^s в олиготрофных болотных экосистемах // Радиоактивность после ядерных взрывов и аварий. СПб., 2005.
10. Парфенов В.И., Якушев Б.И., Мартинович Б.С. и др. Радиоактивное загрязнение растительности Беларуси (в связи с аварией на Чернобыльской АЭС). Минск, 1995.
11. Переволоцкий А.Н. Распределение 137Cs и 90Sr в лесных биогеоценозах. Гомель, 2006.
12. Родин Л.Е., Базилевич Н.И. Динамика органического вещества и биологический круговорот зольных элементов и азота в основных типах растительности земного шара. М.; Л., 1965.
13. Тимофеев-Ресовский Н.В. О радиоактивных загрязнениях биосферы и о мерах борьбы с этим загрязнением // Труды Ин-та биологии Уральского филиала АН СССР. 1962. Вып. 22.
14. Тихомиров Ф.А., Алексахин Р.М., Федоров Е.А. Миграция радионуклидов в лесах и действие ионизирующих излучений на лесные насаждения // Peaceful Uses of Atomic Energy. Vienna, 1972. Vol. 11.
15. Тюрюканова Э.Б., Беляева Л.И., Левкина Н.И., Емельянов В.В. Ландшафтно-геохимические аспекты поведения Sr-90 в лесных и пойменных биогеоценозах Полесья. М., 1973.
16. Хомутинин Ю.В., Кашпаров В.А., Жебровская Е.И. Оптимизация отбора и измерения проб при радиоэкологическом мониторинге. Киев, 2001.
17. Цветнова О.Б., Щеглов А.И. Особенности биологического круговорота 137Cs и изотопов калия в лесных экосистемах и агрофитоценозах лесостепи в отдаленный период после чернобыльских выпадений // Проблемы радиоэкологии и пограничных дисциплин. Екатеринбург, 2009. Вып. 12.
18. Щеглов А.И. Биогеохимия техногенных радионуклидов в лесных экосистемах. М., 1999.
19. Щеглов А.И., Цветнова О.Б. Особенности динамики биологического круговорота техногенных радионуклидов и макроэлементов в лесных экосистемах // Мат-лы V Всерос. о-ва почвоведов. Ростов н/Д, 2008.
20. Щеглов А.И., Цветнова О.Б., Кучма Н.Д. Многолетняя динамика коэффициентов перехода 137Cs и 90Sr в структурные компоненты древостоя // Проблемы экологии лесов и лесопользования в Полесье Украины. Вып. 4 (10). Житомир; Волынь, 2004.
21. Shcheglov A.I., Tsvetnova O.B., Klyashtorin A.L. Biogeo-chemical migration of technogenic radionuclides in forest eco-sistems. M., 2001.
Поступила в редакцию 24.02.2011
SOME INDICATORS OF BIOLOGICAL CYCLE OF 137CS AND 39K IN FOREST
ECOSYSTEMS OF BRYANSK WOODLAND IN THE REMOTE PERIOD AFTER
CHERNOBYL FALLOUTS
A.I. Shcheglov, O.B. Tsvetnova, A.A. Kasatskiy
On the example of ecosystems of Bryansk woodland we are looking at the specialties of a biological cycle of 137Cs and 39К in а long period after Chernobyl fallouts. It is shown that in investigated phyto-cenoses reserves of 137Cs in general biomass are concentrated in wood, minimal — in the outer layers of the core, in the yearly production, in assimilating organs and outer layers of the core respectively. The distribution of K reserves in overall biomass and yearly production almost identical to 137Cs. For now new arrival of 137Cs into the soil with litter in pine and birch forests is estimated as about 50% from BK capacity. Most of all 137Cs comes with assimilating organs (needles and leaves). In pine forests the return of K into the soil with litter is almost the same as for 137Cs.
Key words: biological cycle, radionuclides, 13^s, 39К, reserves.
Сведения об авторах.
Щеглов Алексей Иванович, докт. биол. наук, профессор каф. радиоэкологии и экотоксико-логии; тел. 8 (495) 939-22-11; e-mail: [email protected].
Цветнова Ольга Борисовна, канд. биол. наук, ст. науч. сотр. каф. радиоэкологии и экоток-сикологии; тел.: 8 (495) 939-22-11; e-mail: [email protected].
Касацкий Андрей Александрович, аспирант каф. радиоэкологии и экотоксикологии; e-mail: [email protected].
