Динамика загрязнения 137Cs различных компонентов лесных экосистем Брянского полесья

УДК 574.4:504.5

ДИНАМИКА ЗАГРЯЗНЕНИЯ l37Cs РАЗЛИЧНЫХ КОМПОНЕНТОВ ЛЕСНЫХ ЭКОСИСТЕМ БРЯНСКОГО ПОЛЕСЬЯ

А.И. Щеглов, О.Б. Цветнова, А.А. Касацкий

Рассматриваются особенности перераспределения и его химического аналога — 39К по структурам основных лесообразующих пород (сосна, береза) Брянского полесья в отдаленный период после чернобыльских выпадений. Анализируется динамика удельной активности в исследуемых структурах. Выявлены определенные различия в перераспределении и 39К по компонентам сосны и березы, а также в их многолетней динамике.

Ключевые слова: динамика, загрязнение,39К, лесные экосистемы, структурные компоненты, древостой.

Введение

В многочисленных работах, опубликованных за период, прошедший после аварии на ЧАЭС, указывается на чрезвычайную сложность вопросов, относящихся к анализу миграции радионуклидов по компонентам лесных экосистем и факторов, ее обусловливающих, а также нерешенность целого ряда проблем, касающихся в первую очередь особенностей биологического круговорота (БК) техногенных радионуклидов [6, 7, 10, 11, 13—15 и др.]. При этом важно то, что лесные экосистемы имеют высокую задерживающую способность и значительный период самоочищения древесного яруса от радиоактивных выпадений. Отсюда очевидно, что в этих условиях длительное удерживание поверхностного загрязнения будет обусловливать основные закономерности БК техногенных радионуклидов. Для решения данных вопросов необходимо выявить особенности динамики миграции и их перераспределения по основным компонентам лесных экосистем, что позволит определить интенсивность миграционных потоков радионуклидов в годовых и многолетних циклах. По этому направлению кафедра радиоэкологии и экотоксико-логии факультета почвоведения МГУ им. М.В. Ломоносова проводит длительные динамические наблюдения в основных типах лесных экосистем РФ, подвергшихся радиоактивному загрязнению в результате аварии на Чернобыльской АЭС (1986 г.). Результаты исследований являются основой для познания динамики БК радионуклидов в лесах зоны загрязнения.

Объекты и методы исследований

Настоящие исследования проводили в динамике начиная с 1998 г. В лесных экосистемах Брянской обл. (Красногорское лесничество, Красногорский р-н) наблюдается наиболее высокая плотность радиоактивного загрязнения в РФ [2]. Здесь были выбраны два участка в сосняке-зеленомошнике и березняке зла-ково-разнотравном (соответственно 60- и 40-летнего возраста на момент начала исследований), сформи-

рованных на подзолах. На них были заложены пробные площади размером 50 х 50 м, которые разделялись только просекой.

Экспериментальный материал для определения удельной активности основного дозообразующего радионуклида чернобыльского выброса 137Cs и его химического аналога 39К получали непосредственно на пробных участках. Отбор проб в древесном ярусе проводили из модельных деревьев сосны обыкновенной (Pinussylvestris L.) и березы бородавчатой (Betulapendula Roth.), выбор которых осуществляли с учетом таксационного описания древесного яруса. Выбранное 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), генеративные органы. Для каждого из указанных компонентов из всей кроны отбирали среднюю пробу. Пробы коры наружной (пробка), внутренней (флоэма) и древесины брали из выпилов, сделанных на разной высоте ствола: вершине, середине и у комля [11].

Для определения плотности загрязнения почв 137Cs и содержания обменного (подвижного) калия на участках в 5-кратной повторности закладывали микропрофили, из которых послойно до глубины 20 см производили отбор смешанных почвенных образцов. Удельную активность 137Cs измеряли на сцинтилля-ционном гамма-спектрометре с обработкой амплитудного спектра импульсов при помощи программы ПРОГРЕСС [9]. Подготовку образцов почв, растений и определение содержания обменного (подвижного) калия в почве осуществляли методом Кирсанова в модификации ЦИНАО, в растениях — пламенно-фотометрическим методом после мокрого озоления [3,4].

Результаты и их обсуждение

Исследования показали, что распределение 137Cs и 39К в почвах фитоценозов заметно различается.

Рис. 1. Распределение удельной активности и концентрации 39К в 0—20-сантиметровой толще почв

В сосняке удельная активность 137Cs в слое микропрофиля 0—20 см колеблется от 0,3 до 170 кБк/кг. Наибольшие показатели отмечаются в подгор. О3 подстилки и прилегающем к нему 0—1-сантиметровом подподстилочном слое. С глубиной этот показатель резко падает (рис. 1).

Концентрация стабильного калия максимальных значений также достигает в подподстилочном слое, однако, в отличие от техногенного 137Cs, его содержание в подстилке минимально и практически одинаково (0,001—0,003 г/кг) во всех подгоризонтах, что связано с различиями в путях поступления рассматриваемых элементов в подстилку и интенсивности их выщелачивания из компонентов опада.

В березняке прослеживаются аналогичные закономерности в изменении удельной активности l37Cs и концентрации стабильного калия в исследуемой 0—20-сантиметровой почвенной толще.

По данным на начало наблюдений, плотность загрязнения 0—20-сантиметрового слоя почв исследуемой территории варьировала от 3500 (березняк) до 5200 (сосняк) кБк/м2 [12]. В этот период основные запасы в почвах были сосредоточены в подстилке и подподстилочной 0—1-сантиметровой минеральной толще (> 70%). В настоящее время этот показатель колеблется от 2578,3 до 3698,2 кБк/м2 соответственно. Наблюдаемые различия в плотности загрязнения связаны, очевидно, с высокой пространственной неоднородностью первичных выпадений, которая отмечалась даже в пределах локальных участков, а также с определенными различиями в интенсивности миграции в почвах хвойных и лиственных фитоценозов [11, 15]. При этом в слое О3 подстилки и прилегающей 0—1-сантиметровой подподстилочной толще почв исследуемых фитоценозов в настоящее время аккумулировано почти 54% от суммарных запасов данного радионуклида и лишь около 20% активности переместилось в 1—3-сантиметровую толщу.

В отличие от l37Cs запасы калия в почвах достаточно близки, а их распределение по профилю, как известно, в значительной степени определяются изменением минералогического состава и особенно-

стями протекания БК [1]. Запасы обменного калия в 0—20-сантиметровом слое сосняков достигают 3,75 (валовые запасы — 1710 г/м2), березняков — 4,7 г/м2 (валовые запасы — 1520 г/м2). В данной толще, как и для l37Cs, максимум запасов калия приурочен к верхнему 0—2-сантиметровому слою, что, очевидно, обусловлено биологическим круговоротом. Это является основным отличием в распределении данного элемента.

Таким образом, можно констатировать, что в распределении l37Cs и его химического аналога в 0—20-сантиметровой толще лесных почв по прошествии более 25 лет после чернобыльских выпадений на фоне общего сходства по-прежнему имеются определенные различия. Основные запасы приурочены l37Cs — к гумифицированному подгоризонту подстилки и 1(2)-сантиметровой подподстилочной толще,

— к 0—1—2-сантиметровому минеральному слою.

На современном этапе, как свидетельствует анализ литературных материалов и результатов наших исследований, в распределении исследуемых элементов по структурным компонентам древесного яруса на фоне общих закономерностей так же, как это было показано для почвы, отмечаются определенные различия. Для техногенных радионуклидов, поступающих в природные среды аэральным путем, в начальный период после выпадений в наибольшей степени загрязнены органы, экспонированные к источнику выпадений [11]. В последующем в процессе самоочищения растительного яруса и нарастания корневого потребления радионуклидов происходит их перераспределение по структурным компонентам древостоя. В результате этого максимальные уровни удельной активности отмечаются во внутренних слоях коры, ассимилирующих и генеративных органах текущего года формирования.

Так, по средним данным на 2011 г., наибольшая удельная активность l37Cs наблюдалась в ассимилирующих органах (прирост хвои/листьев) и внутренних слоях коры, значительно меньше этот показатель — в крупных ветвях и наружных слоях коры, минимален — в древесине (табл. 1).

Таблица 1

Концентрация калия, удельная активность и коэффициенты их перехода

Сосна Береза

Структурный компонент 137СБ, кБк/кг КП 137СБ, м2/кг К, г/кг КП К, м2/кг 137СБ, кБк/кг КП 137СБ, м2/кг К, г/кг КП К, м2/кг

Древесина 4,62 1,15 • 10-3 0,40 2,34 • 10-4 1,09 4,20 • 10-4 0,50 3,258 • 10-4

Кора внутренняя 52,67 1,42 • 10-2 5,93 3,47 • 10-3 7,84 3,04 • 10-3 2,07 1,36 • 10-3

Кора наружная 8,79 2,38 • 10-3 0,23 1,35 • 10-4 8,09 3,14 • 10-3 0,30 2,00 • 10-4

Прирост текущего года (хвоя/листья) 130,00 3,52 • 10-2 10,00 5,85 • 10-3 25,00 9,70 • 10-3 13,40 8,82 • 10-3

Ветви мелкие 22,00 5,95 • 10-3 4,50 2,63 • 10-3 8,80 3,41 • 10-3 3,90 2,57 • 10-3

Ветви крупные 9,10 2,46 • 10-3 0,60 3,51 • 10-4 3,00 1,16 • 10-3 0,90 5,92 • 10-4

Хвоя прошлых лет формирования 19,00 5,13 • 10-3 5,90 3,45 • 10-3 — — — —

Примечание. КП 137С8 — удельная активность 137С8 в растении (кБк/кг)/ плотность загрязнения 0—20-сантиметрового слоя почв (кБк/м2); КП К — концентрация калия в растении (г/кг)/запас калия в 0—20-сантиметровом слое почв (г/м2).

Распределение 137Сз и его химического аналога по структурам сосны и березы в целом сходно. Так, для сосны ряды накопления этих элементов по компонентам древостоя имеют вид: 137Сз — прирост > внутренние слои коры > ветви мелкие > хвоя прошлых лет формирования > ветви крупные > наружные слои коры > древесина; К — прирост > внутренние слои коры > хвоя прошлых лет формирования > ветви мелкие > ветви крупные > древесина > наружные слои коры. Однако размах колебаний показателей удельной активности 137С и концентрации калия между структурами различен. Для калия превышение максимального значения над минимальным достигает 43,5 раза, а для 137Сз — 28,3, т.е. почти в 2 раза ниже. Последнее, по-видимому, обусловлено вкладом поверхностного загрязнения в аккумуляцию 137Сз компонентами древостоя, в частности наружными слоями коры. Все это не позволяет однозначно говорить о достижении полного сходства в поведении 137Сз и калия в системе почва—компоненты древостоя по прошествии более 25 лет после чернобыльских выпадений. Об этом же свидетельствуют существенные расхождения в величинах коэффициента перехода (КП) 137Сз и калия в отдельные структуры древостоя. Различия в КП калия по отношению к 137Сз достигают одного порядка в зависимости от структуры. Максимальные различия отмечаются в наружных слоях коры, минимальные — в древесине. Очевидно, это обусловлено тем, что формы соединений калия и 137Сз в почве, определяющие доступность этих элементов для растений, различаются. На современном этапе в дерново-подзолистых супесчаных почвах Брянского полесья доступность 137Сз примерно в 10 раз выше, чем калия.

Вместе с тем анализ распределения 137Сз и калия в структурах ствола по его высоте показал заметное сходство по данному признаку (рис. 2). Отличительной

особенностью является то, что для 137Сз характерна более выраженная аккумуляция в наружных слоях коры комлевой части.

В этом аспекте весьма важным представляется тот факт, что на современном этапе отмечаются такие же закономерности в распределении 137Сз по разным компонентам в зависимости от высоты ствола, как было показано ранее. В начальный период после выпадений было установлено, что удельная активность радионуклида в древесине нарастает от комля к вершине, для наружных и внутренних слоев коры эта тенденция имеет противоположный характер вследствие влияния на загрязнение данных компонентов стволовыхвод [6, 7, 11, 15]. Согласно нашим неопубликованным данным, полученным для лесных экосистем Украинского полесья (30-километровая зона отчуждения ЧАЭС), наиболее резкие различия в рассматриваемых показателях (до 80 раз) наблюдаются у сосны по сравнению с березой (табл. 2).

Аналогичные закономерности в распределении 137Сз по разным компонентам по высоте ствола древесных пород в исследуемом регионе прослеживались и в более отдаленный период после выпадений. При этом отмеченные ранее различия для сосны и березы к настоящему времени сгладились, и распределение 137Сз по высоте ствола стало сходным с таковым его стабильного химического аналога (39К) в рассматриваемом направлении. Таким образом, можно констатировать, что в лесных экосистемах зоны радиоактивного загрязнения в настоящее время в распределении техногенных радионуклидов (137Сз) по средним показателям и высоте ствола достаточно четко проявляются закономерности, аналогичные таковым для его химического аналога. Вместе с тем выраженность проявления данных закономерностей различается в зависимости от биологических особенностей древесных пород. Наибольшее сходство в распределении 137Сз

Рис. 2. Распределение 39К и по структурным компонентам сосны и березы (по данным на 2011 г.): Д — древесина, Кв — кора

внутренняя, Кн — кора наружная

с таковым его химического аналога калия проявляется у сосны.

В наших предшествующих исследованиях было показано, что в начальный период (1986 г.) в лесах как ближней, так и дальней зоны чернобыльских выпадений наружные слои коры основных лесообра-зующих пород имели максимальный уровень загрязнения среди всех компонентов древостоя [11, 15]. Со временем в лесах ближней зоны среди структур древостоя максимальная удельная активность 137Cs отмечалась во внутренних слоях коры (луб) и ассимилирующих органах текущего года формирования. В дальней зоне выпадений в отдаленный период по-

Таблица 2

Удельная активность

Часть ствола Древесина Кора внутренняя Кора наружная

Сосна

Вершина 59,51 186,05 116,03

Середина 44,63 8285,90 234,49

Комель 40,87 14344,00 2426,60

Береза

Вершина 59,87 92,58 609,11

Середина 51,09 92,51 1507,00

Комель 44,58 131,70 1418,00

сле аварии наблюдалась противоположная тенденция, при этом различия между удельной активностью разных фракций древесного яруса и коры наружной нарастали и в настоящее время достигают 7—10-кратных величин [10].

В динамике загрязнения древесного яруса лесов Брянского полесья в целом отмечается очевидное снижение удельной активности 137Cs как в структурах сосны, так и березы (табл. 3). При этом наиболее высокими значениями показателя обладает сосна. Возможно, это связано с большим поглощением веществ хвойными породами, чем лиственными, что определяется высоким накоплением органических веществ в подстилке хвойных фитоценозов и ее замедленным разложением [5].

В годы исследований максимальная удельная активность 137Cs отмечалась в ассимилирующих органах текущего года формирования (прирост хвои/листьев), что обусловлено высокой интенсивностью физиологических процессов, протекающих в этих органах. Вместе с тем на фоне общего снижения загрязнения структур древостоя в последние годы (2011) у сосны, в отличие от березы, наблюдался рост удельной активности ряда органов и тканей, особенно значимый (в 2 раза) для прироста хвои текущего года формирования, в несколько меньшей степени — у внутренних слоев коры и крупных ветвей. Возможно, это связано с различиями в сроках отбора растительных образцов. В 2011 г. он проходил в первой половине вегетации, когда, как известно, концентрация элементов в растениях характеризуется более высокими показателями [8]. То же самое относится и к показателю

Таблица 3

Динамика удельной активности в структурных компонентах сосны и березы лесов Брянского полесья, Бк/кг

Год Древесина Кора Ветви Хвоя/листья, Хвоя прошлых лет Шишки

наружная внутренняя мелкие крупные прирост текущего года формирования 2-го года

Сосна

1998 14,40 21,05 299,00 60,01 28,63 159,90 87,57 —

2000 8,20 20,89 123,39 36,59 26,60 126,35 40,94 97,16

2002 7,40 12,40 50,49 — — 84,40 — —

2009 6,40 13,40 33,40 22,30 8,40 64,60 30,40 —

2011 4,62 8,79 52,67 22,00 9,10 130,00 19,00 95,00

Береза

2002 6,0 — — — — — — —

2010 4,20 4,30 18,50 27,00 9,90 38,00 — —

2011 1,09 8,09 7,84 8,80 3,00 25,00 — —

удельной активности 137Cs, который в течение вегетации снижается от весны к осени [15]. При этом загрязнение генеративных органов (шишки 2-го года) практически не менялось на протяжении периода наблюдений.

Выводы

Таким образом, можно констатировать, что динамика загрязнения 137Cs древостоя Брянского по-

лесья снижается, что, очевидно, связано с радиоактивным распадом, закреплением радионуклида в почве и падением биологической доступности его для растений. Это отличает динамику удельной активности 137Cs от динамики концентрации стабильного калия в растениях. В пределах древостоя одного возраста (примерно 10 лет) концентрация последнего в различных органах и тканях растений меняется незначительно [8].

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Антыков А.Я. Почвы Брянской области. Брянск, 1958.

2. Атлас загрязнения Европы цезием после чернобыльской аварии. ЕК / ИГКЭ. Росгидромет / Минчерно-быль (Украина). Белгидромет. 1998.

3. ГОСТ 26207-91. Определение подвижных соединений фосфора и калия по методу Кирсанова в модификации ЦИНАО.

4. ГОСТ 30504-97. Корма, комбикорма, комбикормовое сырье. Пламенно-фотометрический метод определения содержания калия.

5. Крамер П., Козловский Т. Физиология древесных растений. М., 1963.

6. Парфёнов В.И., Якушев Б.И., Мартинович Б.С. и др. Радиоактивное загрязнение растительности Беларуси (в связи с аварией на Чернобыльской АЭС). Минск, 1995.

7. Переволоцкий А.Н. Распределение и ^г в лесных биогеоценозах. Гомель, 2006.

8. Родин Л.Е., Базилевич Н.И. Динамика органического вещества и биологический круговорот в основных типах растительности земного шара. М.; Л., 1965.

9. Хомутинин Ю.В., Кашпаров В.А., Жебровская Е.И. Оптимизация отбора и измерения проб при радиоэкологическом мониторинге. Киев, 2001.

10. Цветнова О.Б., Щеглов А.И. Особенности биологического круговорота 137Cs и изотопов калия в лесных и агрофитоценозах лесостепи в отдаленный период после чернобыльских выпадений // Проблемы радиоэкологии и пограничных дисциплин. Вып. 12. Екатеринбург, 2009.

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

12. Щеглов А.И., Цветнова О.Б. Пространственное распределение радионуклидов и тяжелых металлов в лесных почвах Брянского полесья // Актуальные проблемы лесного комплекса. Вып. 9. Брянск, 2004.

13. Behaviour of radionuclides in natural and semi-natural environments / Ed. by M. Belli, F. Tikhomirov. Luxembourg, 1996.

14. Contaminated Forests / Ed. by I. Linkov, W.R. Schell. Netherlands, 1999.

15. Shcheglov A.I., Tsvetnova O.B., Klyashtorin A.L. Bio-geochemical migration of technogenic radionuclides in forest ecosistems. Moscow, 2001.

Поступила в редакцию 19.05.2013

POLLUTION DYNAMICS 137Cs OF THE VARIOUS COMPONENTS

OF FOREST ECOSYSTEMS BRYANSK POLESYE

A.I. Shcheglov, O.B. Tsvetnova, A.A. Kasatskiy

The features of the redistribution of 137Cs and its chemical analogue — 39K on the structures of the main tree species of Bryansk polesye (pine and birch) in thelongtime period after the chernobyl fallout. The dynamics of the specific activity of 137Cs is analysed in these structures. Some differences vere revealed in the redistribution of 137Cs and 39K in components of pine and birch, as well as their long-term dynamics.

Key words: dynamics, pollution, 137Cs, 39K, forest ecosystems, structural components, stands.

Сведения об авторах

Щеглов Алексей Иванович, докт. биол. наук, профессор каф. радиоэкологии и экотокси-кологии ф-та почвоведения МГУ им. М.В. Ломоносова. E-mail: shchegl@mail.ru. Цветнова Ольга Борисовна, канд. биол. наук, ст. науч. сотр. каф. радиоэкологии и экотоксикологии ф-та почвоведения МГУ им. М.В. Ломоносова. Тел.: 8 (495) 939-22-11; e-mail: tsvetnova25@yandex.ru. Касацкий Андрей Александрович, аспирант каф. радиоэкологии и экотоксикологии ф-та почвоведения МГУ им. М.В. Ломоносова. E-mail: andkasat@gmail.com.