Особенности накопления 137Cs и тяжелых металлов в компонентах напочвенного покрова лесных экосистем

ОСОБЕННОСТИ НАКОПЛЕНИЯ 137Cs И ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ В КОМПОНЕНТАХ НАПОЧВЕННОГО ПОКРОВА ЛЕСНЫХ ЭКОСИСТЕМ

Цветнова О.Б., Щеглов А.И.

The peculiarities of 137Cs and heavy metals (Pb, Cu, Cd, Zn) accumulation in some components of forest ecosystems are considered.

Как правило, при исследованиях загрязнения лесных экосистем наибольшее внимание уделяется анализу особенностей распределения элементов-загрязнителей в древесном ярусе. Это закономерно, поскольку максимальное значение придается вопросам загрязнения основной лесохозяйственной продукции - древесины. Вместе с тем рассмотрение закономерностей накопления элементов -загрязнителей в других компонентах: лесных экосистем (травяно-кустарничковом ярусе, мохово-лишайниковом покрове, грибах) также представляет большой интерес как в теоретическом, так и прикладном аспектах. Без этого невозможна оценка роли указанных компонентов в миграции поллютантов в биогеохимических циклах и звеньям пищевой цепи и возможности вторичного загрязнения прилегающих территорий.

С этой целью в рамках комплексного изучения особенностей распределения элементов-загрязнителей различной природы (радионуклидов и тяжелых металлов) в основных компонентах биоты лесных экосистем при различных уровнях антропогенной нагрузки были проведены исследования закономерностей

137

накопления Cs, Pb, Cu, Cd, Zn в доминирующих видах травяно-кустарничкого яруса и высших грибах. Исследования проводились в сосновых биогеоценозах

137

(БГЦ) Смоленской и Брянской областей РФ, где плотность загрязнения по Cs составляла 21,3 и 2659 кБк/м2, соответственно. Подробная характеристика объектов исследования представлены в наших предыдущих публикациях [3,4,7]. В пределах исследуемого региона Смоленской области на границе 5-км зоны САЭС, в Десногорском лесничестве был заложен ключевой участок 1. Здесь сформирована ассоциация сосняка лещинового кустарничково-разнотравного, 55-летнего возраста. Сосна обыкновенная (Pinus sylvestris L.) является доминирующим видом в 1-ом ярусе древостоя, в составе других пород присутствуют: ель европейская (Picea abies L.), черемуха обыкновенная (Padus avium Mill.), береза повисшая (Betula pendula Roth.) и др. В подросте среди основных пород встречается дуб черешчатый (Quercus robur L.). Подлесок представлен крушиной ломкой (Frangula alnus Mill.), рябиной обыкновенной (Sorbus aucuparia L.), лещиной обыкновенной (Corylus avellana L.). Травяно-кустарничковый покров участка сформирован видами, характерными как для широколиственных, так и таежных лесов: кислица обыкновенная (Oxalis acetosella L.), костяника (Rubus saxatilis L.), щитовник мужской (Dryopteris filix-mas), черника (Vaccinium myrtillus L.), орляк обыкновенный (Pteridium aquelinum L.) и др. Участок 2 заложен на крайнем западе Красногорского района Брянской области в Красногорском лесничестве. На исследуемом участке сформирован сосняк-зеленомошник 60-летнего возраста.

Подлесок представлен следующими породами: дуб черешчатый, ель европейская, береза повисшая, крушина ломкая, встречаются единичные экземпляры рябины обыкновенной, в подросте произрастает дуб, береза. Травяно-кустарничковый ярус изрежен, в его составе доминируют: вейник наземный (Calamagrostis epigeios L.), вереск обыкновенный (Calluna vulgaris L.), щитовник мужской (Dryopteris filix-mas); встречаются ожика волосистая (Luzula pilosa L.), черника (Vaccinium myrtillus L.), брусника (Vaccinium vitis-idaea L.), ландыш майский (Convallaria majalis L.), ежевика сизая (Rubus caesius L.), малина лесная (Rubus idaeus L.), ракитник русский (Chamaecytisus ruthenicus Fisch ex Woloszcz.). На исследуемых участках были собраны доминирующие виды высших грибов: сыроежка (Russula spр.), горькушка (Lactarius rufus), желчный гриб (Tylopilus felleus), рамария инвала (Ramaria invalii), масленок обыкновенный (Suillus luteus), гриб белый (Boletus edulis), козляк (Suillus bovinus), мухомор (Amanita spp.), гриб польский (Xerocomus badius Fr.), говорушка (Clitocybe spp.), млечник (Lactarius spp.), рядовка (Tricholoma spp.), свинушка тонкая (Paxillus involutus Fr.). Отобранные пробы растений и грибов измельчали, затем высушивали при температуре 105°С и тщательно размалывали до однородной массы. Определение содержания 137Cs проводили на гамма-анализаторе Nokia 49002, ТМ - на атомно-адсорбционном спектрофотометре С-115-М1.

137

Проведенные исследования показали, что содержание Cs в видах травяно-кустарничкового яруса неравномерно и зависит от плотности загрязнения исследуемых территорий, видовых особенностей растений, типа почв и др. [7]. Так,

137

в отдельных видах содержание Cs колеблется от 75,6 - 627 Бк/кг (уч.1) до 100,6 -1408 кБк/кг (уч.2). Следует подчеркнуть, что при различиях в плотности загрязнения исследуемых участков более чем в 100 раз, различия в концентрации

137

Cs в растениях составляют 5 математических порядков

137

максимальное количество Cs накапливается в орляке и кислице обыкновенной.

137

На уч. 2 повышенное накопление Cs отмечается в щитовнике мужском и минимальное - в вейнике наземном. Закономерно, что наибольшее количество радионуклида наблюдается у представителей семейства папоротниковых, которые

137

отнесены к видам  концентраторам Cs [5].

137

Удержание Cs в грибах на исследуемых участках также очень сильно зависит от плотности загрязнения и видовых особенностей. На уч.1 этот показатель колеблется от 0,4 до 26,2 кБк/кг, в то время на уч.2 - от 568,1- до 6375,7 кБк/кг

137

(табл.2). Как видно из представленных данных, минимальной концентрацией Cs на уч.1 характеризуется рамария инвала, более загрязнены горькушка, масленок обыкновенный, белый гриб, различные виды сыроежек. Больше всего радиоцезия накапливает свинушка тонкая, вместе с тем по накопительной способности среди видового ряда выделяется также желчный гриб. На уч.2 среди доминирующих видов по накопительной способности выделяются гриб польский, а также желчный.

137

Минимальной концентрацией характеризуется говорушка. Такое накопление Cs в целом связано с принадлежностью грибов к различным экологическим группам. Минимально данный радионуклид накапливают сапротрофы на почве и значительно большее количество - микоризообразователи [2,7].

137

Таблица 1 - Содержание Сs и тяжелых металлов в доминирующих видах

травяно-кустарничкового яруса сосновых БГЦ

Виды Элементы

137С^ кБк/кг Pb Cd Zn

мг/кг

Участок 1

Орляк 0,64 0,55 <0,01 25,0 6,4

Кислица 0,35 1,0 0,1 37,5 5,6

Черника 0,08 0,5 0,04 29,0 5,4

Участок 2

Ежевика (вегетативные органы) 148,0 0,77 0,47 45,7 6,7

Малина (вегетативные органы) 179,0 0,75 0,48 39,8 6,1

Вейник наземный 100,6 0,67 0,04 25,0 4,2

Марьянник дубравный 507,1 0,67 0,25 115,0 11,0

Вереск 334,2 1,0 0,06 24,0 5,3

Щитовник мужской 1408,0 0,84 0,58 60,0 6,2

Таким образом, в целом среди исследуемых видов по накопительной

137

способности Сs выделяются свинушка тонкая, гриб польский и желчный гриб. Первые два вида были выделены в качестве биоиндикаторов радиоактивного загрязнения лесов еще на начальных этапах после чернобыльских выпадений [2]. Однако в настоящее время, как показали исследования ряда авторов, свинушка тонкая не может служить достоверным биоиндикатором [6]. По истечении почти 18 лет после чернобыльских выпадений к числу видов-биоиндикаторов может быть

137

причислен желчный гриб, аккумуляция Сs в котором по величине уступает только польскому грибу [6].

Наши исследования показали, что уровни накопления ТМ металлов в исследуемых компонентах сосновых фитоценозов также различны и варьируют в зависимости от химической природы и видовых особенностей растений и грибов. Наибольшие уровни накопления отмечаются для Zn и Си, наименьшие - для РЬ и Cd. Это связано со специфической ролью данных элементов в протекании физиологических процессов в различных структурах [1].

В доминирующих видах травянистой растительности (уч.1) наибольшее количество практически всех тяжелых металлов сосредоточено в кислице обыкновенной и орляке, в меньшем количестве - в чернике (табл.1). Следует

137

подчеркнуть, что кислица и орляк концентрируют и Сs. На уч.2 достаточно трудно выделить растение - концентратор для всех исследуемых тяжелых металлов. Здесь не наблюдается однотипности в их накоплении. Для свинца максимум отмечается в вереске и малине (листья), минимальной концентрацией характеризуются побеги малины. Кадмий аккумулируется в щитовнике мужском и малине и ежевике, в основном в побегах. Для цинка и меди среди исследуемых видов растением-концентратором, можно считать, марьянник дубравный. Накопление этих элементов данным видом в 2-5 раз превышает таковые в других видах. Повышенной аккумуляцией Zn характеризуется также щитовник мужской.

Таблица 2 - Содержание Сб и тяжелых металлов в доминирующих видах высших грибов сосновых БГЦ _

Виды Элементы

СБ, кБк/кг РЬ Сё 7п Си

мг/кг

Участок 1

Сыроежка 3,0 0,55 0,04 140 32,6

Горькушка 7,8 0,55 0,1 125 20,2

Желчный гриб 11,2 1,0 0,15 74 14,0

Рамария инвала 0,4 0,32 0,1 56 26,4

Масленок 3,3 0,55 0,07 70 9,6

Белый гриб 2,3 0,32 0,39 127,5 11,6

Млечник 11,8 0,30 0,37 82,5 17,5

Рядовка 1,4 0,60 0,35 112,5 22,0

Свинушка 26,2 5,0 1,86 235,5 71,4

Участок 2

Сыроежка 1961,3 1,5 0,09 87,5 32,7

Козляк 1149,6 1,7 0,5 137,5 18,5

Желчный гриб 5081,4 0,5 0,3 102,5 19,5

Мухомор 4762,4 1,25 1,25 152,3 26,5

Польский гриб 6375,7 0,5 0,11 120,0 24,8

Говорушка 566,1 1,3 0,8 85,0 73,0

Млечник 1520,5 2,5 0,09 130,0 24,5

137

Грибы, как известно, наряду с Сб, характеризуются значительным накоплением и тяжелых металлов (табл. 2). Как видно из представленных данных, максимальные уровни накопления отмечаются для и Си; значительно меньшие -для свинца и минимальные для кадмия. По сравнению с видами травяно-кустарничкового покрова, содержание тяжелых металлов в грибах на исследуемых участках варьируют в меньшей степени. Вместе с тем на уч.1 максимальной концентрацией свинца характеризуется свинушка тонкая, в меньшей степени -желчный гриб, горькушка, рамария, масленок. Кадмий в большей степени накапливается в свинушке, минимальной концентрацией этого элемента характеризуется сыроежка. Цинк также накапливается в свинушке, несколько меньше в сыроежке, белом грибе, горькушке; минимальными концентрациями характеризуются такие виды, как желчный гриб, масленок, рамария. Медь в большей степени концентрируется в свинушке, в меньшей степени- сыроежке рамарии, горькушке. В видовом ряду грибов на уч.2 свинец аккумулируется в большей степени в козляке, в меньшей - в желчном и польском грибе, кадмий и цинк - в мухоморе, а медь накапливается в говорушке. В целом меньшими концентрациями практически всех элементов-загрязнителей характеризуются виды из экологической группы сапротрофы на почве (рамария) и в большей степени виды - микоризообразователи. В целом все исследуемые тяжелые металлы в большей степени аккумулируются в свинушке тонкой. Этот вид, как уже

137

указывалось, является и аккумулятором Сб, особенно на начальных этапах после

выпадений. Последнее свидетельствует, что свинушка тонкая может быть отнесена к виду биоиндикатору техногенных выпадений в целом, особенно на начальных этапах после выпадений.

На основании проведенных нами исследований и анализа особенностей

137

распределения Cs и ТМ в древесном ярусе и моховом покрове [3,4] можно заключить, что в биоте сосновых БГЦ накопление радионуклидов и тяжелых металлов неоднородно и определяется химической природой элемента и физиологическими особенностями видов. Среди компонентов биоты максимальным уровнем накопления всех элементов-загрязнителей, а в особенности

137

Cs, характеризуются грибы, меньшими виды - травяно-кустарничкового яруса и мохового покрова и минимальными - компоненты древесного яруса.

Литература

1. Кабата-Пендиас А., Пендиас Х. Микроэлементы в почвах и растениях. -М.:Мир, 1989. -439 с.

2. Цветнова О.Б., Щеглов А.И. Аккумуляция 137Cs высшими грибами и их роль в биогеохимической миграции нуклида в лесных экосистемах //Вестник МГУ. Сер.17, почвоведение. 1996. № 4. - С.59-69

137

3. Цветнова О.Б., Щеглов А.И. Особенности распределения Cs и тяжелых металлов в компонентах древостоя лесных биогеоценозов // Лесной комплекс: состояние и перспективы развития. Сборник научных трудов. Выпуск 5. - Брянск: БГИТА, 2003. -С.158-161.

4. Цветнова О.Б., Щеглов А.И. Роль мохового покрова лесных экосистем в биогеохимической миграции загрязнителей различной природы // Актуальные проблемы лесного комплекса. Сборник научных трудов. Выпуск7. -Брянск, БГИТА, 2003. -С.64-66.

5. Цветнова О.Б., Щеглов А.И. Радионуклиды в травяно-кустарничковом ярусе лесных биогеоценозов //Радиационная биология. Радиоэкология. 1999. Т.39. № 4. -С.462-467.

6. Цветнова О.Б., Шатрова Н.Е., Щеглов А.И. Накопление радионуклидов и тяжелых металлов грибным комплексом лесных экосистем // Сб. научных трудов ИЯИ. -Киев, 2001. № 3(5). -С. 171-176.

7. Shcheglov А.1., Tsvetnova O.B., Klyashtorin A.L. Biogeochemical migration of technogenic radionuclides in forest ecosystems. -M.: Nauka. 2001. -235 p.

(*) Работа выполнена при поддержке РФФИ (04-04-48323), фонда Университеты

России