CC BY
3
ВЕСТНИК МОСКОВСКОГО УНИВЕРСИТЕТА. СЕРИЯ 17. ПОЧВОВЕДЕНИЕ. 2023. Т. 78. № 3 LOMONOSOV SOIL SCIENCE JOURNAL. 2023. Vol. 78. No. 3
УДК 631.4
DOI:10.55959/MSU0137-0944-17-2023-78-3-83-92
ПОКАЗАТЕЛИ БИОЛОГИЧЕСКОГО КРУГОВОРОТА 90Sr В БЕРЕЗНЯКАХ БРЯНСКОЙ ОБЛАСТИ ЧЕРЕЗ 30 ЛЕТ ПОСЛЕ ЧЕРНОБЫЛЬСКИХ ВЫПАДЕНИЙ
О. Б. Цветнова1*, А. И. Щеглов1, И. А. Грабеклис2
1 МГУ имени М.В. Ломоносова, факультет почвоведения, 119991, Россия, Москва, Ленинские горы, д. 1, стр. 12
2 Учреждение Российской академии наук «Государственный научный центр Российской Федерации» Институт медико-
биологических проблем РАН (ГНЦ РФ-ИМБП РАН), 123007 Россия, Москва, Хорошёвское шоссе, д. 76
* E-mail: [email protected]
В статье рассматриваются особенности биологического круговорота 90Sr в березовых лесах Брянской области в отдаленный период после чернобыльских выпадений. Приведены показатели удельной активности и запасов 90Sr в почвенной толще, различных структурах и видах древесного и травяно-кустарничкового ярусов, высших грибах, опаде. Показано, что в настоящее время в загрязненных березняках Брянского Полесья основной запас 90Sr сосредоточен в почве — 82,3%, из них около 71% — в минеральных почвенных горизонтах; биота содержит всего 17,7% суммарного запаса радионуклида с максимальными показателями в древесном ярусе. Вклад травяно-кустарничковой растительности и высших грибов невелик — <0,5%. В березняках в биологический круговорот вовлекается 3,07 кБк-м-2 90Sr, что составляет около 3% от его общих запасов в БГЦ и примерно соответствует радиоактивному распаду этого радионуклида. Основная часть 90Sr идет на формирование годичного прироста древостоя, при этом вклад высших грибов в показатели круговорота превышает вклад травяно-кустарничкового яруса. Возврат 90Sr в почву ниже (48,2%), чем его закрепление в годичном приросте биомассы (51,8%).
Ключевые слова: радиоактивные выпадения, техногенный радионуклид, лесные экосистемы, накопление в биомассе, поступление в почву.
Введение
По данным ряда авторов [Санжарова, Фесенко и др., 1994; Переволоцкий, 2006 и др.], на современном этапе состояние радионуклидов чернобыльского выброса достигло квазиравновесия в системах «почва — растение» и «стабильный изотоп — радиоактивный изотоп». В связи с этим актуальной является оценка их накопления и перераспределения между компонентами радиоактивно загрязненных биогеоценозов в отдаленный период после выпадений. Вместе с тем многочисленные наработки по данному направлению, как правило, касаются 137Сз [Переволоцкий, 2006; Щеглов и др., 2011; Щеглов и др., 2014; Goor, ^Ыгу, 2004; и др.], в то время как для 908г, который наряду с 137Сз является одним из основных дозообразующих радионуклидов чернобыльского выброса, подобных комплексных натив-ных исследований в загрязненных лесных экосистемах Центральной России в отдаленный период после аварии на ЧАЭС (1986 г.) практически не проводилось.
В дочернобыльский период на основе данных, полученных в модельных экспериментах, были построены модели круговорота 908г в тропическом дождевом лесу, сосновом и березовом биогеоце-
© Цветнова О.Б., Щеглов А.И., Грабеклис И.А., 2023
нозах [Алексахин и др., 1970; Алексахин и др., 1976; Алексахин, Нарышкин, 1977], где было отмечено, что основным депо для 908г в лесных биогеоценозах (БГЦ) являются подстилка и почва, а среди компонентов древостоя, в отличие от 137Сз, — древесина. Для 10-летнего периода после чернобыльских выпадений было установлено, что в биогеохимической миграции 908г в лесных экосистемах ведущая роль в аккумуляции радионуклида принадлежит древесному ярусу. В зависимости от почвенно-эко-логических условий и физико-химической формы выпадений в нем может аккумулироваться от 10 (на автоморфных участках и участках ближней зоны) до 20% от суммарного загрязнения БГЦ (на гидроморфных участках). Вклад травяно-кустар-ничкового яруса невысок (до 2,5%), а роль грибного комплекса и мохово-лишайникового покрова в биогеохимическом (БГХ) цикле 908г незначима [Shcheglov е! а1., 2001]. Для отдаленного периода после выпадений, как уже отмечалось, подобных исследований параметров биологического круговорота 908г в загрязненных лесных экосистемах практически не проводилось [Shcheg1ov е! а1., 2013], имеющиеся наработки в основном посвящены оценке перераспределения радионуклида между различными компонентами лесного биогеоценоза,
м
моделированию этих процессов и др. [Мамихин, Никулина, 2005; Poszwa et al., 2005].
В связи с этим целью нашей работы является оценка некоторых параметров биологического круговорота 90Sr в березовых биогеоценозах Брянской области РФ через 32 года после чернобыльских выпадений.
Объекты и методы
Исследования проводили в 2018 г. на территории Красногорского района Брянской области (Красногорское лесничество) в березняке разнотравно-злаковом 60-летнего возраста на полигоне долговременного мониторинга кафедры радиоэкологии и экотоксикологии факультета почвоведения МГУ имени М.В. Ломоносова. Доминирующей породой древесного яруса является береза повислая (Betula pendula Roth.). В видовом составе травяно-кустарничкового яруса доминируют ландыш майский (Convallaria majalis L.), купена лекарственная (Polygonatum odoratum (Mill.) Druce), герань кроваво-красная (Geranium sanguineum L.), марьянник дубравный (Melampyrum nemorosum L.), встречаются зверобой пятнистый (Hypericum maculatum Crantz), брусника (Vaccinium vitis-idaea L.), медуница неясная (Pulmonaria obscura Dum), различные виды злаков и другие. Моховой покров практически не выражен. На участке сформирована слабоподзолистая иллювиально-железистая песчаная почва на флювиогляциальных отложениях, которая характеризуется среднекислой реакцией среды, средней степенью насыщенности основаниями и низким содержанием органического вещества [Щеглов и др., 2011; Щеглов и др., 2014].
Для определения удельной активности 90Sr в основных компонентах экосистемы проводили отбор почв, структурных компонентов березы, доминирующих видов травянистой растительности, плодовых тел высших грибов, а также растительного опада. Виды мохового покрова не отбирали.
Почвенный пробоотбор осуществляли согласно методикам, принятым в радиоэкологических исследованиях [Shcheglov et al., 2001]. Первоначально с фиксированной площади 25 х 25 см производился отбор проб подстилки по подгоризонтам О1, О2, О3, а затем с помощью цилиндрического пробоотборника с известной площадью горизонтального сечения — минеральной толщи почвы по слоям заданной толщины. Отбор компонентов древостоя проводили на основании модельного дерева, которое выбирали с учетом таксационного описания растительного покрова площадки. Выбранное модельное дерево (высота 29,7 м; диаметр на высоте 1,3 м — 30 см) спиливали и разделяли на структурные части. Равномерно по всей кроне отбирали образцы листьев, ветвей крупных (d > 1 см) и мелких (d < 1 см). Из выпилов, сделанных на различной высоте ствола, осуществляли отбор проб наружных
(пробка), внутренних (луб) слоев коры и древесины. Для отбора корней березы в направлении от ствола модельного дерева на ширину кроны закладывалась траншея. Из траншеи послойно отбирались почва и корни растения. Методика определения биомассы корней включала снятие 10-см слоев почвы с последующим отбором корней различного диаметра [Базилевич, Титлянова, 1978; Щеглов и др., 2014]. После этого корни промывали проточной водой на сите диаметром 10 мм в 20-литровых емкостях. Таким образом на сите была получена фракция крупных ^ > 10 мм) корней. Затем воду из емкости с фракцией мелких ^ < 10 мм) корней пропускали через сито диаметром 0,25 мм. Полученную на этом сите мелкую фракцию корней еще раз промывали проточной водой. В лабораторных условиях все полученные фракции корней промывали спиртом. После этого корни высушивались, затем определялась биомасса каждой фракции в различных слоях исследуемой почвенной толщи. Данная методика позволяла минимизировать выщелачивание элементов из корней и их загрязнение минеральными частицами почвы.
В травяно-кустарничковом ярусе отбирали доминирующие виды растений и учитывали их надземную и подземную биомассу, соответственно методом укосных площадок (8 = 0,25 м2, п = 10) и с помощью почвенных монолитов (8 = 0,09 м2, п = 3). Среди высших грибов были собраны плодовые тела двух видов — опенок летний (Kuehneromyces mutaЫHs 8ЛаеАЕ".) и свинушка тонкая (Paxilus involu-tus ^г.) Fr.). Определение видовой принадлежности растений проводилось по [Губанов и др., 1995], грибов — по [Горленко и др., 1980] и классификационной принадлежности почв — по [Классификация и диагностика..., 1977].
Учет поступления 908г с растительными остатками в почву осуществляли с помощью опадоуло-вителей (8 = 1 м2, п = 10). Опадоуловители устанавливали ранней весной, сбор опада проводили поздней осенью после окончания массового листопада. После отбора образцов формировали среднюю пробу, которая разбирали на компонентные составляющие: ассимилирующие органы (листья), ветви. Подробная методика отбора всех указанных компонентов приводится в наших многочисленных работах [Shcheglov е! а1., 2001].
Полученные пробы высушивали при 105°С до абсолютно сухого состояния, а пробы биоты затем озоляли в муфельной печи при температуре 700°С. После этого проводили радиохимическую подготовку проб, результатом которой было получение счетного образца — оксалата кальция с со-осажденным 908г. Определение удельной активности 908г проводили в трехкратной повторности на спектрометрической установке МКС-01А «Муль-тирад» (страна-производитель Россия), блок детектирования сцинтилляционный, границы пределов
O1
O2
O3
0-10
10-20
20-30
30-40
O1
O2
O3
0-10
10-20
20-30
30-40
■ч
2
кБк-кг-1
5 10 15 20 25 % от суммарных запасов
30
Рисунок. Распределение удельной активности (А) и запасов 908г (Б) в профиле почв березового биогеоценоза
измерений 0,1 Бк — 1 МБк в случае радиохимически очищенной пробы и 0,5 Бк — 1 МБк в случае на-тивной пробы, пределы допускаемой относительной погрешности измерения ±10-15%. Подготовка проб и измерения проводились согласно методикам [Методика приготовления., 2006; Методические рекомендации., 2014].
На основании полученных данных нами были рассчитаны запасы 908г в почве и компонентах биоты. Для этого использовались результаты полевых исследований, а также наши данные предшествующих наработок на указанном полигоне. Биомассу структур древесного яруса определяли экспериментально-расчетным методом, в основу которого были положены математические зависимости между запасами отдельных фракций биомассы и таксационными показателями модельного дерева березы (высота дерева, диаметр ствола на высоте 1,3 м), которые определяли непосредственно в период проведения настоящих исследований. Оценка годичного прироста березы также давалась на основании ранее установленных соотношений для структур древостоя, полученных непосредственно на исследуемых участках, в том числе для подземных органов [Shcheg1ov е! а1., 2001]. Надземная и подземная биомасса травянистой растительности, как уже отмечалось, определялась в нативных условиях. Возврат органической массы с надземной частью травянистой растительности при допущении, что она является однолетней, считали равным 100%, годичную продукцию подземных органов — 1/3 их запасов, а опад корней — 1/3 их годичной продукции [Базилевич, Титлянова, 1978].
Запасы биомассы высших грибов осуществляли из следующих положений: для спелых березовых насаждений усредненный показатель урожайности плодовых тел высших грибов составляет
0,0154 кг-м-2, соотношение плодовых тел и мицелия высших грибов колеблется от 1:63 (для сапротро-фов) до 1:154 (для микоризообразователей) [Кур-лович и др., 2003]. Годичную продукцию мицелия принимали равной 60% от общих запасов его биомассы, а удельная активность 90Sr в мицелии грибов принималась равной таковой в их плодовых телах [Цветнова, Зарубина, 2003; Olsen et al., 2001; Shcheg-lov et al., 2001].
Результаты
Проведенные работы показали, что в различных слоях исследуемой 0-40 см толщи почв березняка удельная активность 90Sr варьирует от 0,11 до 3,58 кБк-м-2. Наибольшие показатели приурочены к подстилке, особенно к ее ферментативному и гу-мифицированному подгоризонтам; при переходе к минеральным слоям удельная активность 90Sr резко (в 18 раз) снижается до минимальных значений в 30-40-см слое.
В то же время расчеты показали, что плотность загрязнения 90Sr (суммарный запас) 0-40-см толщи почв березняка составляет 86,44 кБк-м-2 с диапазоном варьирования этого показателя по отдельным слоям от 3,57 до 26,54 кБк-м-2, при этом наибольший запас радионуклида сосредоточен в минеральной толще (86,4%) с максимумом в слое 0-10 см; подстилка удерживает лишь 13,6% от его общих запасов в профиле (рисунок).
Исследования удельной активности 90Sr в структурных органах березы показали, что у данной породы показания колеблются от 0,24 до 4,00 кБ-кг-1 с максимальными значениями в листьях и крупных корнях и минимальными — в древесине (табл. 1).
Уровни загрязнения компонентов опада коррелируют с соответствующими показателями в веге-тирующих органах березы. Так, удельная активность
0
Таблица 3 Запасы биомассы и годичный прирост в древостое березняка
Таблица 1
Удельная активность в структурных компонентах березы и фракциях опада березняка
Структурный компонент Вегетирующие органы Опад
Удельная активность 90Sr, кБ-кг1 Удельная активность 90Sr, кБ-кг-1
Древесина 240,1±30,3(*) -
Кора наружная 553,6±65,5 -
Кора внутренняя 1806,0±190,5 -
Листья 4001,0±405,0 3085,0±334,0
Ветви мелкие (d < 10 мм) 3922,0±414,0 4219,0±450,0
крупные (d < 10 мм) 1426,0±158,0
Корни крупные (d < 10 мм) 2134,0±305,0 -
мелкие (d < 10 мм) 1336,0±181,0 -
Компонент Запасы биомассы Годичный прирост
биомассы кг-м-2 % кг-м-2 %
Древесина 14,26 63,8 0,25 25,4
Кора внутренняя 1,44 6,5 0,05 5,4
Кора наружная 0,64 2,9 0,02 2,4
Ветви мелкие 0,72 3,2 0,03 3,3
Ветви крупные 0,85 3,8 0,05 4,8
Листья 0,50 2,2 0,50 51,5
Корни крупные ^ > 10 мм) 3,53 15,8 0,06 6,5
Корни мелкие ^ < 10 мм) 0,39 1,8 0,01 0,7
Общий запас 22,34 100 0,97 100
(*) — допускаемая относительная погрешность измерения.
908г в опаде березового насаждения, который в основном представлен фракциями листьев и ветвей, колеблется в пределах 3,08-4,22 кБк-кг-1 (табл. 1).
Показатели удельной активности 908г в видах травянистой растительности изменяются в диапазоне 1,20-3,94 кБк-кг-1 (табл. 2). Среди них выделяется марьянник дубравный, можно также отметить достаточно высокую удельную активность 908г у ландыша майского, который известен как концентратор 137С8 и 908г [Shcheg1ovе!а1., 2001].
Следует подчеркнуть, что корневая система травянистых растений в большинстве случаев характеризуется меньшим накоплением 908г, чем надземные органы. Так, величина отношения удельной активности 908г в надземной и подземной частях
Таблица 2
Удельная активность 9°^г в различных видах травянистых растений и грибов
(*) — допускаемая относительная погрешность измерения.
растений в березняке варьирует в пределах 1,942,40. Исключение составляет герань кроваво-красная, для которой отмечается повышенное накопление 90Sr в корнях, что было выявлено и в работах других авторов [Baeza et al., 2001].
Наименьшие показатели удельной активности 90Sr отмечаются в плодовых телах грибов — 0,150,25 кБк-кг-1, при этом наиболее высокие уровни зафиксированы у свинушки тонкой.
Как показали натурные исследования и расчеты, общие запасы биомассы и годичный прирост в древесном ярусе березняка составляют 22,34 и 0,97 кг-м-2 соответственно (табл. 3). Следует подчеркнуть, что показатели круговорота органического вещества в исследуемом березняке Брянского Полесья хорошо согласуются с данными, полученными в дочернобыльский период для аналогичных по видовому составу, возрасту и условиям произрастания фитоценозам сопредельных территорий [Экспериментальные исследования..., 1976].
Основная доля в общих запасах приходится на древесину (63,8%), значительный вклад вносят корни крупные (15,8%), а в годичном приросте — листья (51,5%) и древесина (25,4%) (табл. 3). При этом масса опада древесного яруса в исследуемом сообществе достигает 0,348 кг-м-2 и в основном представлена листьями (99,2%) с незначительным вкладом ветвей (0,8%).
Суммарная биомасса доминирующих видов травяно-кустарничкового яруса невелика и составляет 0,083 кг-м-2, при этом биомасса отдельных растений в зависимости от вида и структурной части варьирует от 0,003 до 0,025 кг-м-2. Наибольший вклад в общие запасы вносит ландыш майский (табл. 4).
Масса опада травяно-кустарничкового яруса, которая определялась расчетным путем по методикам, принятым в подобных исследованиях [Базиле-
Вид Структура Удельная активность, Бк-кг-1
Ландыш майский Надземная часть 2687,0±291,0(*)
Корни 1202,0±138,0
Купена лекарственная Надземная часть 2570,0±280,0
Корни 1222,0±141,0
Герань кроваво-красная Надземная часть 2760,0±299,0
Корни 3935,0±426,0
Марьянник дубравный Надземная часть 3463,0±369,0
Корни 1780,0±229,0
Высшие грибы
Опенок летний Плодовые тела 151,0±7,6
Свинушка тонкая Плодовые тела 246,2±15,1
Таблица 4
Биомасса доминирующих видов и запасы органического вещества в растительном опаде травянистой растительности
Вид/компонент биомассы Запасы биомассы Запасы опада
кг-м-2 % кг-м-2 %
Ландыш майский Надземная 0,025 30,5 0,025 36,9
Подземная 0,008 10,1 0,003 3,7
Купена лекарственная Надземная 0,008 9,5 0,008 11,5
Подземная 0,003 3,1 0,001 1,1
Герань кроваво-красная Надземная 0,015 17,8 0,015 21,5
Подземная 0,005 5,9 0,001 2,1
Марьянник дубравный Надземная 0,0014 17,3 0,014 21,0
Подземная 0,005 5,7 0,001 2,1
Общий запас 0,083 100 0,069 100
вич, Титлянова, 1978], в рассматриваемом березняке составляет 0,069 кг-м-2 и в основном представлена отмирающей надземной частью растений (табл. 4).
Нами также были рассчитаны запасы органического вещества в высших грибах. Согласно используемым в настоящем исследовании подходам (см. методы исследований), они достигают 0,98 кг-м-2 (в расчеты принимались усредненные показатели для лесов бореального пояса, без учета урожайности отдельных видов). Основная доля в общей биомассе высших грибов приходится на мицелий и активные микоризы (98,7%).
На основании полученных данных по биомассе и удельной активности 908г в компонентах экосистемы березового леса нами были рассчитаны запасы 908г в этих компонентах. Исходя из целей исследования основное внимание было уделено оценке накопления 908г в годичном приросте биомассы. Отметим лишь, что общий запас 908г в БГЦ состав-
Запасы в годичном при
ляет 105,01 кБк-м-2 с доминированием почвенной составляющей; в биоте сосредоточено всего 17,7% от этой величины. При этом суммарный запас 908г в общей биомассе составляет 17,96 кБк-м-2 с максимальными показателями в древесине и крупных фракциях корней. В годичном приросте березы общий запас 908г достигает 2,5 кБк-м-2 (с диапазоном варьирования от 12,3 до 2,00 кБк-м-2), здесь основная доля приходится на ассимилирующие органы — 81,4%. Вклад других компонентов значительно меньше (табл. 5).
В целом по вкладу в годовой прирост березы ее структурные компоненты ранжируются следующим образом: листья > ветви мелкие > кора внутренняя > корни крупные > ветви крупные > древесина > корни мелкие > кора наружная. Следует отметить, что с опадом древесного яруса в исследуемом березняке поступает 1,07 кБк-м-2 908г, из них 98,9% приходится на листовой опад.
Таблица 5
сте березового насаждения
Древесный ярус Травяно-кустарничковый ярус
Структурный компонент Запасы 908г Вид Структурная часть Запасы 908г
Бк-м-2 %
Бк-м-2 % Ландыш майский Надземная 68,2 31,0
Древесина 59,3 2,4 Корни 10,1 4,6
Кора внутренняя 95,7 3,9 Купена лекарственная Надземная 20,4 9,2
Кора наружная 12,3 0,5 Корни 3,2 1,5
Ветви мелкие 125,5 5,1 Герань кроваво-красная Надземная 40,8 18,6
Ветви крупные 67,0 2,7 Корни 19,2 8,7
Листья 2000,5 81,4 Марьянник дубравный Надземная 49,9 22,5
Корни крупные ^ >10 мм) 84,6 3,4 Корни 8,5 3,8
Корни мелкие ^ <10 мм 14,2 0,6 - - - -
Общий запас 2459,1 100 Общий запас 220,2 100
Суммарный запас 908г в биомассе доминирующих видов травяно-кустарничкового яруса березняка разнотравно-злакового составляет 0,22 кБк-м-2. Максимальный вклад в общий годичный запас радионуклида вносит надземная часть растений (81,4%), а среди видов — ландыш майский (табл. 5). Поступление 908г в составе опада травяно-кустар-ничкового яруса невелико и достигает 0,19 кБк-м-2. Основной вклад вносит однолетняя наземная часть растений (82,9%), а среди видов, как уже отмечалось, — ландыш майский (37,2%).
Запасы 908г в доминирующих видах высших грибов данного березового сообщества невелики и составляют 0,39 кБк-м-2. В структуре этих запасов основной процент приходится на мицелий (94,9%), а среди видов — на свинушку тонкую, что связано с различиями в биомассе и удельной активности рассматриваемых показателей. Поступление 908г в почву с отмирающими плодовыми телами и мицелием составляет 0,23 кБк-м-2.
На основании оценки запасов 908г в почве и компонентах биоты нами были определены общие запасы этого радионуклида в березняках Брянского Полесья в отдаленный период после чернобыльских выпадений.
В целом можно констатировать, что основной запас 908г сосредоточен в почве (82,3%), при этом главным депо являются минеральные почвенные горизонты (70,9%), биота (при невыраженности мохового покрова) содержит всего 17,7% общего запаса радионуклида в БГЦ в целом. Важно подчеркнуть, что в блоке биоты основные запасы 908г сосредоточены в древесном ярусе, суммарный вклад травяно-кустарничковой растительности и высших грибов невелик — <0,5%, однако вклад грибов в два раза превышает таковой травяно-кустарничкового яруса (табл. 6).
Таблица 6
Общие запасы в березняке в отдаленный период после чернобыльских выпадений
Компонент БГЦ Общий запас 908г
кБк-м-2 %
Почва подстилка 12,01 11,4
минеральная толща 74,43 70,9
Древесный ярус 17,96 17,1
Травяно-кустарничковый ярус 0,22 0,2
Высшие грибы 0,39 0,4
Всего в БГЦ 105,01 100
В исследуемом березовом насаждении с практически невыраженным моховым покровом в годовой цикл вовлекается 3,07 кБк-м-2 908г (примерно 3% от общих запасов радионуклида в БГЦ). Большая часть (51,8%) идет на формирование годичного прироста древостоя, в почву с растительным
опадом и отмершей биомассой высших грибов возвращается менее половины (48,2%) от этого показателя (табл. 7).
Таблица 7
Некоторые показатели биологического круговорота 9°^г в березняке в отдаленный период после чернобыльских выпадений
Показатели круговорота 908г
Статья круговорота Компонент Годовой запас 908г, кБк-м-2
На формирование годичного прироста Древостой 2,46
Травяно- кустарничковый ярус 0,22
Высшие грибы 0,39
Всего 3,07
Возвращается в почву с: опадом древостоя 1,07
опадом травяно-кустарничкового яруса 0,19
отмершей биомассой грибов 0,22
Всего 1,48
Удерживается в годичном приросте биомассы 1,59
Важным моментом является то, что по сравнению с начальным периодом после выпадений вклад высших грибов в биологический круговорот 908г в настоящее время возрос и превысил вклад травяно-кустарничкового яруса, который снизился почти на порядок. Учитывая, что мхи и высшие грибы могут накапливать 908г [Нифонтова, Алек-сащенко, 1992], правомерно предположить, что в биогеоценозах с выраженным моховым покровом и большим видовым разнообразием высших грибов, особенно микоризообразователей, вклад этих компонентов биоты в биологический круговорот может быть более высоким. Напротив, в неурожайные, как правило, засушливые годы вклад грибов может снижаться.
Обсуждение
Закономерности биологического круговорота 908г в лесных экосистемах в отдаленный период после выпадений во многом определяются типом экосистемы и характером распределения радионуклида в почвенном профиле [Переволоцкий, 2006; Ро8г'№а еГ а1., 2000; и др.]. Как уже подчеркивалось, в настоящее время удельная активность 908г в отдельных слоях 0-40-см толщи почв березняков Брянского Полесья варьирует от 0,11 до 3,58 кБк-кг-1 с наибольшими показателями в ферментативном и гумифицированном подгоризонтах подстилки; в минеральной толще активность 908г резко снижается. Удельная плотность загрязнения 0-40-см толщи почв по 908г составляет 86,44 кБк-м-2, при этом наибольший запас радионуклида сосредоточен
в минеральной толще (86,4%) с максимумом в слое 0-10 см; подстилка удерживает лишь 13,6% от его общих запасов в профиле. Таким образом, горизонт подстилки заметно очистился от загрязнителя, что связано с небольшой мощностью и слабой удерживающей способностью подстилок лиственных лесов [Shcheg1ov е! а1., 2001].
Анализ изменения удельной активности 908г по компонентам древесного яруса свидетельствует, что в настоящее время этот показатель в структурных органах березы колеблется от 0,24 до 4,00 кБ-кг-1 с максимальными величинами в листьях и крупных корнях и минимальными — в древесине. Можно констатировать, что по сравнению с начальным периодом после выпадений ряд относительного распределения радионуклида изменился. По данным на 1992 г. этот ряд выглядел следующим образом: кора наружная > листья > ветви мелкие > ветви крупные > кора внутренняя > древесина [Shcheg1ov е! а1., 2001]; в настоящее время — листья > ветви мелкие > корни мелкие > кора внутренняя > ветви крупные >корни крупные > кора наружная > древесина. Сравнение этих рядов свидетельствует о том, что с течением времени 908г перераспределялся по компонентам древостоя, в частности, наружные слои коры заметно очистились от загрязнения. Это, несомненно, связано с тем, что в рассматриваемый период в наибольшей степени были загрязнены структуры, экспонированные к аэральным выпадениям [Алек-сахин, Нарышкин, 1977; Shcheg1ov е! а1., 2001; и др.]. Со временем вклад поверхностного загрязнения снижается за счет процессов дезактивации древесного яруса, вымывания 908г из внешних частей коры, нарастания корневого потребления радионуклида и его перераспределения в системе почва — растение; отложения в склереидах различных частей дерева кристаллов оксалата кальция, который захватывает и включенный в круговорот 908г, закрепляя его на продолжительное время в этих структурах [Еремин и др., 2001]. При этом в корнях диаметром <10 мм высокая удельная активность 908г обусловлена их сосущей функцией: вместе с кальцием они захватывают и обменные формы данного радионуклида.
Как уже отмечалось, удельная активность 908г в опаде различных структур древостоя соответствует таковой или несколько выше, чем у вегетирующих органов, что может быть связано с вторичным загрязнением компонентов опада пылеватыми почвенными частицами, увеличением содержания к концу вегетации 908г, как и его химического аналога кальция [Курлович и др., 2003; Shcheg1ov е! а1., 2001], а также некоторыми физиологическими особенностями древесных растений, что обусловливает повышенные уровни загрязнения компонентов опада 908г [Ремезов и др., 1949 и др.]. По данным настоящих исследований, уровни загрязнения опада в целом коррелируют с таковыми вегетирующих органов березы и составляют 3,08-4,22 кБк-кг-1.
Аналогичные закономерности отмечались и в начальные периоды после чернобыльских выпадений [Shcheg1ov е! а1., 2001].
В видах травяно-кустарничкового яруса березняка в целом также отмечаются высокие показатели удельной активности 908г — 0,20-3,94 кБк-кг-1 в зависимости от вида и структурной части данных компонентов биоты. Это связано с поверхностным расположением корневой системы этих растений, приуроченной к почвенным слоям, характеризующимся высокими уровнями загрязнения 908г. Кроме того, произрастание травянистых растений под пологом леса делает возможным их вторичное загрязнение продуктами растительного опада и вымывания осадками в процессе дезактивации древесного яруса [Алексахин, Нарышкин, 1977; Переволоцкий, 2006; Shcheg1ov е! а1., 2001; и др.]. В целом в настоящее время в загрязнении видов травяно-кустар-ничкового яруса прослеживаются однотипные закономерности: наиболее высокие уровни удельной активности 908г наблюдаются в надземных структурах растений, в корнях она значительно меньше, за исключением, как уже подчеркивалось, герани кроваво-красной, что может быть связано с особенностями онтогенеза вида: герань кроваво-красная — многолетнее растение с зимующими листьями, из-за чего, скорее всего, наблюдается большее по сравнению с другими растениями накопление 908г в корнях.
Вместе с тем высшие грибы, которые являются концентраторами 137Сз, характеризуются меньшей накопительной способностью по отношению к 908г. Это, возможно, связано с тем, что в грибах, срок жизни плодовых тел которых 10-12 дней, кальций (химический аналог 908г) аккумулируется в значительно меньших количествах, чем калий (химический аналог 137Сз) [Океп е! а1., 1990; Grueter е! а1., 2001; е! а1., 2001; Goor е! а1., 2004; и др.]. По
данным наших исследований на 2018 год, удельная активность 908г в плодовых телах высших грибов невелика и варьирует в пределах 0,15-0,25 кБк-кг-1.
Оценка вклада основных компонентов экосистемы в общее загрязнение 908г БГЦ производилась с учетом запасов органического вещества в их составе. Эти данные были получены на основании натурных наблюдений, а также экспериментально-расчетным методом. Полученные результаты свидетельствуют, что запасы биомассы и годичный прирост в древесном ярусе березняка составляют 22,34 и 0,97 кг-м-2 соответственно. Основная доля в общих запасах приходится на древесину (63,8%), значительный вклад вносят корни крупные (15,8%); в годичном приросте — листья (51,5%) и древесина (25,4%). Масса опада древесного яруса достигает 0,35 кг-м-2 и в основном представлена листьями (99,2%) с незначительным вкладом ветвей (0,8%). Суммарная биомасса доминирующих видов травя-но-кустарничкового яруса невелика — 0,08 кг-м-2
и варьирует в зависимости от вида и структурной части растений. Наибольший вклад в общие запасы биомассы вносит ландыш майский. В целом, как уже отмечалось, показатели круговорота органического вещества в исследуемом березняке Брянского Полесья хорошо согласуются с данными, полученными в дочернобыльский период для аналогичных по видовому составу, возрасту и условиям произрастания фитоценозам сопредельных территорий [Экспериментальные исследования., 1976]. Это позволяет говорить о достоверности полученных в расчетах показателей запасов органического вещества в основных компонентах биоты исследуемого березняка.
Оценка накопления 908г показала, что в настоящее время суммарный запас 908г в общей биомассе древостоя березняка составляет 17,96 кБк-м-2 с максимальными показателями в древесине и крупных фракциях корней. Годовой запас 908г в приросте березы достигает 2,5 кБк-м-2, при этом основная доля здесь приходится на ассимилирующие органы — 81,4%. Вклад других компонентов значительно меньше. С опадом древесного яруса в исследуемом березняке поступает 1,07 кБк-м-2 908г, из них 98,9% приходится на листовой опад. Общий запас 908г в биомассе доминирующих видов травя-но-кустарничкового яруса березняка разнотравно-злакового достигает 0,22 кБк-м-2. Максимальный вклад в общий годичный запас радионуклида вносит надземная часть растений (81,4%), а среди видов также ландыш майский. Поступление 908г в составе опада травяно-кустарничкового яруса невелико — 0,19 кБк-м-2, основной вклад в этот показатель вносит однолетняя наземная часть растений (82,9%), а среди видов — ландыш майский (37,2%). Запасы 908г в выявленных видах высших грибов данного березового сообщества невелики и составляют 0,39 кБк-м-2. В структуре этих запасов основной процент приходится на мицелий (94,8%), а среди видов — на свинушку тонкую. Поступление 908г в почву с отмирающими плодовыми телами и мицелием составляет 0,23 кБк-м-2.
Сравнение полученных данных с таковыми для 10-летнего периода после чернобыльских выпадений [Shcheg1ov е! а1., 2001] свидетельствует, что по общему вкладу в суммарное загрязнение исследуемого БГЦ компоненты биоты ранжируются следующим образом: древесный ярус > высшие грибы > травяно-кустарничковый ярус. Таким образом, по сравнению с указанным периодом относительный вклад компонентов биоты практически не изменился.
Заключение
Исследования по биологическому круговороту 908г показали, что в отдаленный период после чернобыльских выпадений в загрязненных березняках Брянского Полесья основная доля от общего
запаса 90Sr в БГЦ сосредоточена в почве (82,3%), при этом главным депо являются минеральные почвенные горизонты (70,9%), биота содержит всего 17,7% суммарного запаса радионуклида с максимальными показателями в древесном ярусе. При невыраженном моховом покрове вклад травяно-кустарничковой растительности и высших грибов невелик — <0,5%.
В целом в березняках в биологический круговорот в год вовлекается 3,07 кБк-м-2 90Sr, что составляет около 3% от его общих запасов в БГЦ и примерно соответствует радиоактивному распаду этого радионуклида. Основная часть 90Sr идет на формирование годичного прироста древостоя, при этом вклад высших грибов в показатели круговорота за счет больших запасов мицелия превышает вклад травяно-кустарничкового яруса. В лесах с выраженным моховым покровом и большим видовым разнообразием высших грибов вклад этих компонентов биоты в биологический круговорот 90Sr может заметно возрасти. В целом в настоящее время в березовых сообществах Брянского Полесья возврат 90Sr в почву ниже (48,2%), чем его вовлечение в биологический круговорот (51,8%).
Информация о финансировании работы
Исследование проводилось в рамках НИОКТР № АААА-А21-121012290189-8, выполняемой по государственному заданию и при поддержке Междисциплинарной научно-образовательной школы МГУ имени М.В. Ломоносова «Будущее планеты и глобальные изменения окружающей среды».
КОНФЛИКТ ИНТЕРЕСОВ
Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Алексахин Р.М., Нарышкин М.А., Бочарова М.А. К вопросу об особенностях и количественном прогнозировании кумулятивного накопления Sr в древесных растениях // Докл. АН СССР. 1970. Т. 193, № 5.
2. Алексахин Р.М., Гинзбург Л.Р., Медник И.Г. и др. Модель круговорота 90Sr в лесном биогеоценозе // Экология. 1976. № 3.
3. Алексахин Р.М., Нарышкин М.А. Миграция радионуклидов в лесных биогеоценозах. М., 1977.
4. Базилевич Н.И., Титлянова А.А. Методы изучения биологического круговорота в различных природных зонах. М., 1978.
5. Горленко М.В., Бондарцева М.А., Гарибова Л.В. и др. Грибы СССР. М., 1980.
6. Губанов И.А., Киселёва К.В., Новиков B.C. и др. Определитель сосудистых растений центра европейской России. М., 1995.
7. Еремин В.М., Рой Ю.Ф., Бойко В.И. и др. Анатомия коры деревьев и кустарников / Под ред. В.М. Еремина. Брест, 2001.
8. Классификация и диагностика почв СССР. М., 1977.
9. Курлович Л.Е., Николаев Г.В., Черкасов А.Ф. и др. Руководство по учету и оценке второстепенных лесных ресурсов и продуктов побочного лесопользования. Пушкино, 2003.
10. Мамихин С.В., Никулина М.В. Имитационная модель поведения 90Sr в почве и древесном ярусе соснового леса // Радиационная биология. Радиоэкология. 2005. Т. 45, № 4.
11. Методика приготовления счетных образцов проб почвы для измерения активности стронция-90 на бета-спектрометрических комплексах с пакетом программ Прогресс, 2006, аттестована в соответствии с ГОСТ Р 8.563 и ГОСТ Р 8.594.
12. Методические рекомендации MP 2.6.1.0094-14 «Радиохимическое определение удельной активности цезия-137 и стронция-90 в пробах пищевой продукции, почвы, других объектов окружающей среды и биопробах» (утв. Главным государственным санитарным врачом РФ 16 сентября 2014 г.).
13. Нифонтова М.Г., Алексашенко В.Н. Накопление 90Sr и 134,137Cs в грибах, лишайниках и мхах из ближней зоны Чернобыля // Экология. 1992. № 3.
14. Переволоцкий А.Н. Распределение 137Cs и 90Sr в лесных биогеоценозах. Гомель, 2006.
15. Ремезов Н.П., Смирнова К.М., Быкова Л.Н. Некоторые итоги изучения роли лесной растительности в почвообразовании // Вестн. Моск. ун-та. Сер. Физико-математических и естественных наук. 1949. № 6.
16. Санжарова Н.И., Фесенко С.В., Алексахин Р.М. Динамика биологической доступности 137Cs в системе почва - растение после аварии на Чернобыльской АЭС // Доклады Академии наук. 1994. Т. 338, № 4.
17. Цветнова О.Б., Зарубина Н.Е. К вопросу о распределении 137Cs в компонентах грибного комплекса // Сборник научных трудов Института ядерных исследований. Киев, 2003. № 2 (10).
18. Щеглов А.И., Цветнова О.Б., Касацкий А.А. Некоторые показатели биологического круговорота 137Cs и 39K в лесных экосистемах Брянского Полесья в отдаленный период после чернобыльских выпадений // Вестн. Моск. ун-та. Сер. 17. Почвоведение. 2011. № 3.
19. Щеглов А.И., Цветнова О.Б., Касацкий А.А. Динамика загрязнения 137Cs различных компонентов лесных
экосистем Брянского Полесья // Вест. Моск. ун-та. Сер. 17. Почвоведение. 2014. № 3.
20. Щеглов А.И., Цветнова О.Б., Попова Е.П. Влияние корней древесных растений на перераспределение 137Cs в почвах сосняков и березняков зоны радиоактивного загрязнения // Вест. Моск. ун-та. Сер. 17. Почвоведение. 2016. № 2.
21. Экспериментальные исследования ландшафтов Припятского заповедника / Под ред. В.А. Смольского. Минск, 1976.
22. Baeza A., Paniagua J. M., Rufo M. et al. Dynamics of Sr-90 and Cs-137 in a soil-plant system of a Mediterranean ecosystem // Journal Radiochimica Acta. 1999. Vol. 85, № 3-4. https://doi.org/10.1524/ract.1999.85.34.137
23. Goor F., Thiry Y. Processes, Dynamics and Modelling of Radiocaesium Cycling in a Chronosequence of Chernobyl-contaminated Scots Pine (Pinus sylvestris L.) Plantations // Sci. Total. Environ. 2004. Vol. 325, № 1-3. https:// doi.org/:10.1016/j.scitotenv.2003.10.037
24. Grueter H. Radioactive fission product 137Cs in mushrooms in W. Germany during 1963-1970 // Chemical and radionuclide food contamination. 1973.
25. Olsen R.A., Joner E., Bakken L.R. Soil fungi and fate of radiocaesium in the soil ecosystem // Transfer of radionuclides in natural and semi-natural environments. L.; N.Y, 1990.
26. Poszwa A., Dambrine E., Pollier B. et al. A comparison between Ca and Sr cycling in forest ecosystems // Plant and Soil. 2000. Vol. 225, № 1-2. https://doi. org/:10.1023/A:1026570812307
27. Shcheglov A.I., Tsvetnova O.B., Kliashtorin A.L. Bio-geochemical migration of technogenic radionuclides in forest ecosystems. M., 2001.
28. Shcheglov A.I., Tsvetnova O.B., Kliashtorin A.L. Biogeochemical cycles of Chernobyl-born radionuclides in the contaminated forest ecosystems. Long-term dynamics of the migration processes // J. of Geochemical Exploration. 2014. Vol. 144. Part B. https://doi.org/: 10.1016/j. gexplo.2014.05.026
Поступила в редакцию 22.02.2023 После доработки 28.03.2023 Принята к публикации 18.05.2023
ВЕСТНИК МОСКОВСКОГО УНИВЕРСИТЕТА. СЕРИЯ 17. ПОЧВОВЕДЕНИЕ. 2023. Т. 78. № 3 LOMONOSOV SOIL SCIENCE JOURNAL. 2023. Vol. 78. No. 3
INDICATORS OF THE BIOLOGICAL CYCLE OF 90Sr IN BIRCH FORESTS OF THE BRYANSK REGION 30 YEARS AFTER THE CHERNOBYL FALLOUT
O. B. Tsvetnova, A. I. Shcheglov, I. A. Grabeklis
In the paper, the features of the biological cycle of 90Sr in the birch forests of the Bryansk region in the remote period after the Chernobyl fallout are discussed. Specific activity and inventories of 90Sr in soil, different structures and types of tree and herbaceous-shrubby stories, higher fungi, and litter are given. It is shown that at present the major part of 90Sr in the contaminated birch forests of the Bryansk Polesie is accumulated in the soil (82,3%), of which about 71% is in the mineral soil horizons. The biota contains only 17,7% of the total radionuclide inventory with maximum values in the tree story. The contribution of herbaceous-shrubby vegetation and higher fungi is small, <0,5%. In birch forests 3,07 kBq-m-2 90Sr is involved in the biological cycle, which is about 3% of its total stock in the ecosystem and approximately corresponds to the radioactive decay of this radionuclide. The main part of the 90Sr goes for formation of annual growth of the stand, while the contribution of higher fungi to the cycle exceeds the contribution of the herbaceous-shrubby layer. The 90Sr return to soil is lower (48,2%) than its fixation in annual biomass growth (51,8%).
Key words: radioactive fallout, technogenic radionuclide, forest ecosystems, accumulation in biomass, return to the soil.
СВЕДЕНИЯ ОБ АВТОРАХ
Цветнова Ольга Борисовна, канд. биол. наук, вед. науч. сотр. кафедры радиоэкологии и экотоксикологии факультета почвоведения МГУ имени М.В.Ломоносова, e-mail: [email protected]
Щеглов Алексей Иванович, докт. биол. наук, профессор, зав. кафедрой радиоэкологии и экотоксикологии факультета почвоведения МГУ имени М.В.Ломоносова, e-mail: [email protected]
Грабеклис Игорь Андреевич, и. о. науч. сотр. лаборатории санитарно-химической и токсикологической безопасности воздуха герметичных помещений Института медико-биологических проблем (ГНЦ РФ-ИМБП РАН), e-mail: [email protected]
© Tsvetnova O.B., Shcheglov A.I., Grabeklis I.A., 2023 92
