Влияние корней древесных растений на перераспределение 137Cs в почвах сосняков и березняков зоны радиоактивного загрязнения

УДК 631.438.2

ВЛИЯНИЕ КОРНЕЙ ДРЕВЕСНЫХ РАСТЕНИЙ НА ПЕРЕРАСПРЕДЕЛЕНИЕ l37Cs В ПОЧВАХ СОСНЯКОВ И БЕРЕЗНЯКОВ ЗОНЫ РАДИОАКТИВНОГО ЗАГРЯЗНЕНИЯ

А.И. Щеглов, О.Б. Цветнова, Е.П. Попова

В статье рассматриваются особенности накопления и распределения в корневых системах лесов зоны радиоактивного загрязнения Брянской обл. Установлено, что фитомасса и распределение по профилю почв корней сосны и березы в исследуемых БГЦ заметно различаются, при этом удельная активность в корнях в основном меняется в зависимости от их диаметра: наименьшие ее значения отмечаются в крупных, а наибольшие — в мелких фракциях корней. Показано, что вклад корней в общие запасы в 0—50-сантиметровой толще почв различных биогеоценозов неодинаков: наибольший вклад характерен для березняков (1,66%) с размахом варьирования данного показателя по отдельным слоям толщи от 1,12 до 3,53%, меньший — для сосняков (0,97%) с размахом варьирования от 0,82 до 7,5%. При этом с глубиной вклад корней в общее загрязнение почв исследуемых растительных сообществ нарастает.

Ключевые слова: радиоактивное загрязнение, лесные экосистемы, корневая

система растений, запасы, вклад.

Введение

Многочисленными исследованиями, проведенными как в дочернобыльский период, так и после аварии на Чернобыльской АЭС, установлены факторы, определяющие перераспределение радионуклидов в почвенном профиле. К ним относятся диффузия свободных и сорбированных ионов, конвективный перенос с током влаги, корневыми системами растений, коллоидными частицами (лессиваж); роющая деятельность почвенной мезофауны и хозяйственная деятельность человека. Влияние этих факторов на миграцию радионуклидов неравнозначно и меняется в зависимости от времени после выпадений, почвенно-климатиче-ских, биоценотических и других показателей [1,5, 6, 8, 9, 11, 12 и др.]. Однако до настоящего времени влияние ряда факторов, в первую очередь, корневых систем растений, в полной мере не оценено. Так, в частности, не охарактеризован поток радионуклидов, поступающих в почву с корневым отпадом и корневыми выделениями, нет данных по влиянию видовых особенностей растений на эти показатели.

Цель настоящих исследований — оценка роли корневых систем в перераспределении 137С8 в почвах различных лесных экосистем на территории Брянской обл., где отмечаются самые высокие уровни радиоактивного загрязнения в пределах Российской Федерации вследствие аварии на Чернобыльской АЭС (1986 г.).

Объекты и методы исследования

Исследования проводили в 2012—2013 гг. в Красногорском р-не Брянской обл. на участках,

входящих в сеть долговременного радиоэкологического мониторинга кафедры радиоэкологии и экотоксикологии факультета почвоведения МГУ и представленных сосняком-зеленомошником 70—80-летнего и березняком злаково-разнотравным 50-летнего возраста. Данные биогеоценозы сформированы на слабоподзолистых иллювиально-железистых песчаных почвах на флювиогляциальных отложениях, приурочены к одному элементу рельефа и расположены в непосредственной близости друг от друга (около 10 м).

В задачу исследований входила оценка фи-томассы разных фракций корней сосны и березы в соответствующих слоях корнеобитаемой толщи почв, которую проводили по методикам, принятым при изучении биологического круговорота органического вещества в наземных растительных экосистемах [3]. Для отбора проб корней древесных растений на каждой площадке выбирали модельное дерево, в направлении от ствола которого закладывали траншею на ширину кроны. Из нее послойно отбирали образцы почвы с корнями древесных растений-эдификаторов: в березняке из толщи 0—50 см, в сосняке — 0—30 см, последнее связано с незначительным количеством здесь корней глубже 30 см. Отбор заключался в снятии 10-сантиметровых слоев почвы с последующей отмывкой корней разного диаметра [3]. После замачивания почву промывали через сита с различным диаметром отверстий, в результате чего корни разделялись на фракции: 0—3, 3—10, 10—20 и >20 мм. Определяли биомассу каждой фракции в слоях и суммарную биомассу корней. После фракционирования их измельчали.

Одновременно с пробами корней из каждого 0—10-сантиметрового слоя отбирали образцы почвы для определения удельной активности 137С8. Подготовленные образцы корней и почв высушивали при температуре 105° и размалывали на мельнице до однородной массы. Удельную активность определяли в 3-кратной повторности на гамма-анализаторе со сцинтилляционным №1 (Т1) детектором. Предел обнаружения 137С8 — 3 Бк на пробу, погрешность — 10—15%.

Результаты и их обсуждение

Исследования показали, что по уровню радиоактивного загрязнения корнеобитаемой толщи участки, несмотря на близость и ландшафтную однотипность расположения, значимо различаются. В сосняке удельная активность 137С8 в 0—50-сантиметровой толще почв колеблется от 0,02 до 27,0, в березняке — от 1,16 до 10,5 кБк/кг с наибольшими величинами в слое 0—10 см (табл. 1).

В соответствии с удельной активностью и плотностью сложения слоев почв запасы ^37С8 в них варьируют от 3,65 до 3631,50 кБк/м2 в сосняке и от 195,46 до 1455,30 кБк/м2 в березняке (рис. 1). При этом суммарная плотность загрязнения данной толщи составляет соответственно 4411,44 и 2731,11 кБк/м2.

Таким образом, почвы соснового сообщества имеют более высокий (в 1,6 раза) уровень радиоактивного загрязнения, чем березового, что, по-видимому, связано с первичной неоднородностью чернобыльских выпадений [10, 12]. Однако следует подчеркнуть, что в почвах березняка, несмотря на меньший уровень загрязнения, ^37С8 в детектируемых количествах наблюдается на больших глубинах. По нашему мнению, это связано с деятельностью почвенной мезофауны [9, 11, 12], а также с особенностями распределения корней сосны и березы в почвенной толще. Как известно, оба вида имеют поверхностную корневую сис-

Рис. 1. Изменение запасов 137Cs в 0—(30)50-сантиметровой толще почв сосняка и березняка

тему, однако корни березы распространяются на большую глубину [7].

Исследования показали, что фитомасса корней древесных растений-эдификаторов в толще почв 0—(30)50 см различается примерно в 1,5 раза и составляет 10,18 в березняке и 6,60 кг/м2 — в сосняке. Наибольший вклад в суммарную биомассу вносят крупные фракции, диаметром 10—20 и >20 мм; вклад остальных фракций менее значим.

Следует подчеркнуть, что распределение по профилю почв корней разного диаметра у березы и сосны также неодинаково. Так, у сосны наибольшее количество корней всех размеров сосредоточено в верхнем 10-сантиметровом слое, вниз по профилю оно заметно снижается (рис. 2, а). У березы распределение корней характеризуется большим заглублением и наличием трех максимумов на глубине 10, 30 и 50 см (рис. 2, б), но эти особенности касаются корней диаметром 10—20 и >20 мм. Масса мелких фракций распределена по профилю почв практически равномерно. Аналогичные закономерности в распределении корней сосны и березы отмечались и ранее, в частности, в работах Н.И. Базилевич, А.А. Титляновой и др. [2, 3].

Оценка накопления 137Cs в разных фракциях корней также позволила выявить ряд особенностей (табл. 2). К общим для исследуемых пород

Таблица 1

Удельная активность и запасы в различных слоях 0—50-сантиметровой толщи почв в сосняке и березняке

Слой, см Березняк Сосняк

удельная активность 137Cs, кБк/кг запасы 137Cs, кБк/м2 удельная активность 137Cs, кБк/кг запасы 137Cs, кБк/м2

0—10 10,50 ± 1,20 1455,30 27,00 ± 3,00 3631,50

10—20 3,16 ± 0,47 456,04 3,80 ± 0,05 696,54

20—30 2,58 ± 0,33 403,31 0,40 ± 0,07 70,40

30—40 1,16 ± 0,17 195,46 0,07 ± 0,02 9,35

40—50 1,30 ± 0,20 221,00 0,02 ± 0,006 3,65

Суммарная плотность загрязнения 137Cs слоя 0—50 см, кБк/м2 2731,11 — 4411,44

закономерностям можно отнести следующие:

1) удельная активность корней, локализованных в соответствующем слое, в целом превосходит таковую прилегающей почвенной массы, причем с глубиной эти различия нарастают (см. табл. 1 и 2);

2) удельная активность 137С8 в корнях неодинакова и меняется в зависимости от их диаметра: наименьший показатель характерен для крупных, а наибольший — для мелких фракций (табл. 2). В этой связи следует подчеркнуть, что удельная активность радионуклида в корнях самой тонкой фракции в наибольшей степени обусловлена его выщелачиванием при отмывке корней.

На фоне общих закономерностей в накоплении 137С8 разными фракциями корней сосны и березы наблюдаются и заметные различия. Так, удельная активность 137С8 в корнях березы в зависимости от глубины их залегания и размера фракции варьирует от 5,2 до 37,3 кБк/кг. Макси-

Удельная активность в разных фракциях корней сосны и березы в 0—50-сантиметровой толще почв биогеоценозов, кБк/кг

Слой, см 0—3 мм 3—10 мм 10—20 мм >20 мм

Береза

0—10 37,31 ± 3,70 11,020 ± 1,07 9,45 ± 0,92 нет

10—20 21,18 ± 2,11 10,67 ± 1,06 нет 7,74 ± 0,79

20—30 19,77 ± 1,96 10,57 ± 1,03 6,89 ± 0,68 6,53 ± 0,65

30—40 16,11 ± 1,59 9,70 ± 0, 95 6,01 ± 0,59 нет

40—50 14,88 ± 1,45 8,63 ± 0,79 5,90 ± 0,56 5,22 ± 0,52

Сосна

0—10 45,37 ± 4,52 55,74 ± 5,19 17,00 ± 1,72 10,08 ± 1,01

10—20 46,84 ± 4,60 56,41 ± 5,71 нет 11,20 ± 1,14

20—30 46,45 ± 4,76 57,10 ± 5,69 нет 13,70 ± 1,32

мальные величины этого показателя отмечены в тонких корнях (0—3 мм), локализованных в самом поверхностном почвенном слое (0—10 см). С глубиной наблюдается заметное падение удельной активности радионуклида, особенно в тонких фракциях корней.

Удельная активность 137С8 в корнях сосны и ее изменение в зависимости от вышеуказанных факторов характеризуется более высокими показателями, но несколько меньшим размахом их колебаний — 11,2—57,1 кБк/кг. Причем максимальная активность отмечается во фракциях наименьшего и среднего диаметров (0—3 и 3—10 мм), а минимальная — в корнях диаметром >20 мм; с глубиной она во всех фракциях корней сосны, в отличие от березы, меняется мало. Причина отмеченных различий, вероятно, связана с особенностями морфологического строения корней сосны и березы, что влияет на качество их отмывки и физиологические особенности накопления и распределения 137С8 в подземных органах этих древесных пород.

Таким образом, полученные данные по изменению фитомассы и удельной активности 137С8 в корнях сосны и березы в слое 0—50 см свидетельствуют об их значимых различиях, что связано с биологическими особенностями растений, выражающимися в распределении и глубине проникновения корней в профиле, а также в характере накопления в них радионуклида. Кроме того, эти данные позволяют оценить вклад корневых систем в его суммарные запасы в почве (табл. 2).

Расчеты свидетельствуют, что в березняке суммарные запасы 137С8 в почве и корнях растений в соответст-

Таблица 2

вующем слое колеблются от 199 до 1472 кБк/м2, при этом максимальные показатели отмечаются в поверхностном слое 0—10 см; с глубиной они закономерно уменьшаются (в 6—7 раз). Вклад корней березы в суммарное загрязнение 0—50-сантиметровой почвенной толщи достигает 1,66%, причем в зависимости от слоя данный показатель варьирует от 1,12 до 3,45%. Среди фракций максимальный процент в слое 0—10 см приходится на тонкие сосущие корешки диаметром 0—3 мм, глубже 10 см — на крупные корни диаметром >20 мм. Отсюда следует вывод, что наибольшее значение в перераспределении 137Сз в корнеобитаемой толще имеют в поверхностном слое 0—10 см тонкие сосущие корни, в нижележащих слоях — крупные ростовые корни, выполняющие опорные функции. Возможно, именно ролью последних определяется достаточно большая заглубленность 137Сз в почвенном профиле, поскольку наибольший вклад корневой массы в общие запасы радионуклида в 0—50-сантиметровой толще отмечается в слоях 20—30 и 40—50 см.

В сосняке суммарные запасы 137Сз в почве и корнях растений выше и колеблются от 72 до 3640 кБк/м2, что связано с большей плотностью загрязнения почв и, соответственно, удельной активностью радионуклида в корнях. Однако, в отличие от почв березняка, здесь влияние корневой системы прослеживается на меньшую глубину (0—30 см), что, как подчеркивалось нами выше, можно объяснить незначительным количеством корней сосны глубже 30 см. Еще одной особенностью влияния корневой системы сосны на перераспределение 137Сз в рассматриваемой толще является то, что в целом вклад корней в суммарное загрязнение слоя 0—30 см меньше, чем в березняке, и составляет всего 0,97%; однако диапазон колебаний данного показателя по отдельным слоям профиля шире — 0,8—7,45%. При этом среди фракций корней разного диаметра максимальный вклад практически во всех слоях вносят крупные корни диаметром >20 мм, а минимальный — тонкие сосущие корешки диаметром 0—3 мм.

Таким образом, корни древесных растений-эдификаторов играют значимую роль в перераспределении 137Сз в почвенном профиле, причем большое влияние на этот фактор оказывает тип фитоценоза. Так, вклад корневых систем в общее загрязнение толщи почв березняка 0—(30)50 см в 1,7 раза выше, чем сосняка. Это подтверждает проанализированный нами выше факт более высокой интенсивности миграции 137Сз в березовых сообществах Брянской обл. Другими словами, фитоценоз значимо влияет на перераспределение радионуклидов, а в определенных случаях может выступать и ведущим фактором этого процесса.

Вместе с тем следует подчеркнуть, что представленные нами данные не в полной мере позволяют оценить вклад подземных органов растений в этот процесс, поскольку корни обеспечивают поступление в почву выделений, количество которых по массе может превышать фитомассу корней. Так, согласно результатам исследований ряда авторов, растения в ходе своей жизнедеятельности выделяют в виде корневых экссудатов органические вещества в объеме 5—7% от своей конечной массы; через корневую систему из растений частично удаляются экотоксиканты, а слизь, которую выделяют корневые окончания, способна изменять растворимость гумусовых веществ почвы [4]. Следовательно, можно утверждать, что корневые выделения, несомненно, способствуют переводу радионуклидов, в том числе 137Сз, в подвижное состояние и, следовательно, влияют на их перераспределение.

Еще один момент, на который хотелось бы обратить внимание, — сложность, возникающая при отборе корней. Самая активная фракция, представленная сосущими корнями, диаметр которых зачастую не превышает 1 мм, а длина 5 мм, является крайне хрупкой. В связи с этим оценить фитомассу таких корней, которая может быть весьма значима, очень сложно. Поэтому правомерно предположить, что произведенная нами количественная оценка влияния корневых систем растений на перераспределение 137Сз в почвенном профиле, которая составляет 1—7% для различных слоев 0—(30)50-сантиметровой толщи, находится на минимальном уровне, т.е. роль корней с учетом корневых выделений, очевидно, будет выше.

Выводы

• Плотность загрязнения и интенсивность миграции 137Сз в слабоподзолистых иллювиально-же-лезистых песчаных почвах сосняков и березняков Брянской обл., подвергшихся радиоактивному загрязнению в результате аварии на Чернобыльской АЭС и расположенных в непосредственной близости друг от друга, неодинаковы. Запасы 137Сз в 0—50-сантиметровой толще почв березняков примерно в 1,5 раза ниже, чем таковые в почвах сосняков, а интенсивность миграции этого радионуклида, напротив, выше в березняках. Здесь 137Сз в настоящее время на детектируемом уровне фиксируется в 1,5—2 раза больших глубинах, чем в сосняках.

• Фитомасса корней древесных растений-эди-фикаторов в 0—(30)50-сантиметровой толще почв березняков примерно в полтора раза выше, чем в почвах сосняков, и представлена в основном крупной фракцией >20 мм. Распределение по профилю почв корней разного диаметра у березы и

сосны также заметно различается. У сосны наибольшее количество корней всех размеров сосредоточено в верхнем (0—10 см) слое почв, у березы распределение корней характеризуется большим заглублением и наличием трех максимумов на глубине 10, 30 и 50 см.

• Удельная активность 137С8 в корнях древесных растений неодинакова и меняется в зависимости от их диаметра. Как у сосны, так и у березы наименьшая удельная активность 137С8 отмечается в крупных, а наибольшая — в мелких фракциях корней, причем в соответствующих фракциях корней она практически не изменяется с глубиной. В целом в профиле почв удельная активность кор-

ней превосходит таковую прилегающей почвенной массы, а эти различия с глубиной нарастают.

• Вклад корней в общие запасы 137С8 в 0—50-сантиметровой толще почв различных биогеоценозов Брянской обл. неодинаков: наибольший характерен для березняков (1,66%) с размахом варьирования данного показателя по отдельным слоям почвенной толщи от 1,12 до 3,53%, наименьший — для сосняков (0,97%) с размахом варьирования от 0,82 до 7,5%. Из всех фракций корней наибольший вклад в запасы 137С8 вносит самая крупная, и с глубиной вклад корней в общее загрязнение почв исследуемых растительных сообществ нарастает.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Алексахин Р.М., Нарышкин М.А. Миграция радионуклидов в лесных биогеоценозах. М., 1977.

2. Базилевич Н.И. Биологическая продуктивность экосистем Северной Евразии. М., 1993.

3. Базилевич Н.И., Титлянова А.А., Смирнов В.В. и др. Методы изучения биологического круговорота в различных природных зонах. М., 1978.

4. Головко Э.А. Микроорганизмы в аллелопатии высших растений. Киев, 1984.

5. Мамихин С.В. Роль корневых систем в накоплении и перераспределении 137Cs в почвах и растительном покрове лесных экосистем // Вестн. Моск. ун-та. Сер. 17. Почвоведение. 2002. № 1.

6. Переволоцкий А.Н. Распределение 137Cs и 90Sr в лесных биогеоценозах. Гомель, 2006.

7. Рахтеенко И.Н. Рост и взаимодействие корневых систем древесных растений. Минск, 1963.

8. Тихомиров Ф.А. Распределение и миграция радионуклидов в лесах ВУРС при радиоактивных выпа-

дениях // Экологические последствия аварии на Южном Урале. М., 1993.

9. Щеглов А.И. Биогеохимия техногенных радионуклидов в лесных экосистемах. М., 1999.

10. Щеглов А.И., Цветнова О.Б., Касацкий А.А. Динамика загрязнения 137Cs различных компонентов лесных экосистем Брянского Полесья // Вестн. Моск. ун-та. Сер. 17. Почвоведение. 2014. № 3.

11. Щеглов А.И., Цветнова О.Б., Тихомиров Ф.А. Миграция долгоживущих радионуклидов чернобыльских выпадений в лесных почвах европейской части СНГ // Вестн. Моск. ун-та. Сер. 17. Почвоведение. 1992. № 2.

12. Shcheglov A.I., Tsvetnova O.B., Kliashtorin A.L. Biogeochemical migration of technogenic radionuclides in forest ecosystems. M., 2001.

Поступила в редакцию 24.10.2015

EFFECT OF THE TREES ROOTS ON THE REDISTRIBUTION

OF 137Cs IN SOILS OF PINE AND BIRCH FORESTS

OF RADIOACTIVE CONTAMINATION ZONE

A.I. Scheglov, O.B. Tsvetnova, E.P. Popova

The article is discussed the features of the accumulation and the distribution of 137Cs in the forests of the root systems of the zone of radioactive contamination of the Bryansk region. It is found that the phytomass and distribution by the soil profile of the roots of pine and birch which are investigated by BGC is differ markedly, so the specific activity of 137Cs in the roots, mainly changes depending on their diameter: the lowest specific activity of 137Cs is observed in large, and the largest — in small fractions of the roots. It is shown that the contribution of roots in the total reserves of 137Cs in the soil 0—50 cm thicker various biogeocenosis of the Bryansk region is different: the largest contribution is characteristic for the birches (1,66%) with a big variation of this index on separate segments of the soil layer from 1,12 to 3,53% lower — for pine (0,97%) with a scale varying from 0,82 to 7,5%. At the same time the depth of the roots to the contribution of the overall pollution of the soils of the studied plant communities is growing.

Key words: radioactive contamination, 137Cs, forest ecosystems, plants root system, reserves, contributions.

Сведения об авторах

Щеглов Алексей Иванович, докт. биол. наук, профессор, зав. каф. радиоэкологии и экотоксикологии ф-та почвоведения МГУ имени М.В.Ломоносова. Тел.: 8(495)939-22-11; e-mail: shchegl@mail.ru. Цветнова Ольга Борисовна, канд. биол. наук, доцент, ст. науч. сотр. каф. радиоэкологии и экотоксикологии ф-та почвоведения МГУ имени М.В.Ломоносова. Тел.: 8(495) 939-22-11; e-mail: tsvetnova@mail.ru. Попова Евгения Павловна, аспирант каф. радиоэкологии и экотоксикологии ф-та почвоведения МГУ имени М.В. Ломоносова. Тел.: 8(495) 939-22-11; e-mail: pgen69@rambler.ru.