Щеглов А.И., Цветнова О.Б. (МГУ им. М.В. Ломоносова, г. Москва, РФ)
The work considers the ecological role of forest litters in the fate of radionuclides and heavy metals in forest ecosystems. Distribution of the both groups of technogenic pollutants in forest litters was shown to be virtually identical, which is due to the same (aerial) origin and the same natural processes controlling their mobility. These processes fully depend on the parameters of biological cycle that serves as an integral process determining the barrier capacity of the forest litter.
Как известно, основным источником техногенного загрязнения природных сред являются аэрозольные и газовые выбросы в атмосферу промышленных предприятий и автотранспорта, а почвенно-растительный покров выступает в качестве первого барьера на пути аэральных выпадений, через который происходит обмен элементов-загрязнителей между атмосферой и гидросферой. При этом основным депо загрязняющих веществ в наземных экосистемах становятся почвы и в первую очередь поверхностные горизонты. В лесных экосистемах таким горизонтом - аккумулятором элементов-загрязнителей является подстилка. В настоящей работе рассматривается ее роль в удерживании и перераспределении техногенных радионуклидов и тяжелых металлов (ТМ) в лесных биогеоценозах.
Исследования миграции радиоактивных веществ показали, что после их поступления на поверхность лесной подстилки их поведение определяется химической природой и физико-химическим состоянием радионуклидов в выпадениях, а также строением и мощностью самой подстилки. Наиболее тесная зависимость аккумулирующей способности подстилки наблюдается от ее мощности, причем в интервале до 3.5-4.0 см. В интервале 4-6 см эта связь ослабевает, а с 6 см - дальнейшее увеличение мощности подстилки (в реальном промежутке времени) не сказывается на ее удерживающей способности по отношению к радионуклидам (Shcheglov et al., 2001). Среди фитоценозов максимальная удерживающая способность подстилки отмечается в хвойных сообществах, особенно в мертвопокровных сосняках и ельниках - зеленомошниках с развитым моховым покровом и подстилкой типа мор или модер - мор, а также у приствольных повышений. В этих ценозах последнее обусловлено несколькими причинами: 1) Слабой трансформацией опада в составе подстилки и незначительным смешиванием с минеральной массой. Последнее и большая мощность подстилки приводят к нарушению капиллярных связей и передвижения влаги и веществ в толще почв и, следовательно, способствуют аккумуляции радионуклидов в подстилке. 2) Аккумулирующей ролью микобиоты, которая в хвойных ценозах развита в наибольшей степени по сравнению с другими БГЦ. Мицелий грибов является депо по отношению к радионуклидам, в нем может аккумулироваться до 60% общих запасов 137Cs в лесных почвах (Olsen,1990; Орлов и др., 2001 и др.). В связи с этим роль грибного комплекса в биогеохимическом цикле 137Cs в лесной экосистеме значительно превосходит вклад высших растений (Shcheglov et al.,2001). 3) Развитием мохового покрова. В БГЦ с хорошо выраженным моховым покровом лесная подстилка характеризуется более высокой удерживающей способностью, поскольку мхи являются растениями - накопителями радиоактивных элементов, и тем самым они сдерживают их миграцию в ландшафтах.
В лесах, где преобладает лиственный опад, и формируется маломощная неполнопрофильная подстилка, ее аккумулирующая роль невелика. Здесь подстилка слабо выражена и практически полностью состоит из свежего растительного опада, который довольно быстро перерабатывается почвенной биотой. В этих ценозах отмечается наиболее интенсивная миграция радионуклидов в минеральную толщу. Также невелика удерживающая способность подстилки в лесных гидроморфных ландшафтах, характеризующихся близостью качественного состава и сложения подстилки с торфяным горизонтом.
Вместе с тем даже у хорошо выраженных полнопрофильных подстилок удерживающая способность ее подгоризонтов неодинакова. На начальных этапах после поступления радиоактивных веществ на поверхность почвы более 90% их суммарного количества сосредоточивается в верхнем листовом слое подстилки O1 и мало зависит от типа БГЦ. В последующем самоочищение и перераспределение радионуклидов в различных слоях лесной подстилки характеризуются неодинаковой динамикой и интенсивностью и определяется различными ведущими процессами. Для подгоризонта О1 таким процессом является поступление на поверхность почвы относительно более чистого растительного опада, для О2 и О3 - скорость трансформации органического вещества. В связи с этим наибольшая скорость самоочищения с выраженной однонаправленной динамикой отмечается в верхнем листовом слое О1. Период полуочищения для 137Cs составляет около 2-х лет, вследствие чего в О1 уже к 4-5 году после выпадений содержание 137Cs достигает уровня, близкого к квазиравновесному состоянию, - около 1% от его суммарных запасов. В ферментативном и гумифицированных подгоризонтах подстилки динамика запасов 137Cs не столь однозначна. Она характеризуется периодами их нарастания до определенного максимума, затем снижения и стабилизации на соответствующем уровне в зависимости от типа БГЦ, ландшафтно-экологических условий и слоя подстилки.
Уничтожение подстилки при дезактивационных работах или ее сгорании при пожарах приводит к резкому усилению миграционных потоков радиоактивных элементов в почвенном профиле. Однако при низовых пожарах, когда воздействию огня подвергается лишь подгоризонт О1, а нижележащие О2 и О3 сохраняют свои сорбирующие функции, значимого перераспределения активности в почве, в том числе и внутри этих слоев, не происходит. Удерживающая способность подстилки остается на уровне 60-70% от суммарной активности. В этих условиях также не происходит существенного роста содержания подвижных форм радионуклидов в почвах. С увеличением интенсивности пожаров возрастает степень выгорания подстилки, и ситуация усугубляется. Вследствие значительных потерь массы подстилки в минеральную часть почвы поступает 60-80% общих запасов содержащихся в ней радионуклидов. Такая картина их распределения при естественном течении миграционных процессов могла бы сложиться через 30-50 лет. При полном выгорании подстилки заглубление активности в минеральную толщу достигает практически 100%. Данные территории наиболее опасны в радиоэкологическом отношении, поскольку интенсивность миграционных процессов в этих условиях максимальна и возрастает вероятность поступления в грунтовые воды значимых количеств радионуклидов (Кучма и др., 1996).
При аэральных выпадениях на лесные биогеоценозы элементов-загрязнителей другой природы (ТМ) лесная подстилка также аккумулирует их основное количество. В целом содержание ТМ в подстилке, по мнению ряда авторов, отражает величину техногенной нагрузки на лесные биогеоценозы (Кашулина, 1993). Распределение ТМ в этом горизонте имеет ту же специфику, что и для радионуклидов, то есть зависит от состава и мощности подстилки, а также от химической природы элемента. Для наиболее значимых и подвижных в системе «почва-растение» тяжелых металлов, таких как Zn и Cu абсолютный максимум их содержания приурочен к ферментативному слою О2. Напротив, для таких ТМ, как Cd и Pb максимальное содержание их подвижных и валовых форм, как правило, наблюдается в гумифицированном слое подстилки. Возможно, это связано с формами соединений тяжелых металлов в подгоризонтах подстилки. В верхнем слое подстилки О1- они в большей степени находятся в подвижной форме, а в нижележащей слое - в составе труднорастворимых металл - органических соединений. Причем те тяжелые металлы, максимум которых приурочен к ферментативному слою, видимо, образуют эти соединения с низкомолекулярными фракциями органических веществ (максимум которых приурочен к этому подгоризонту), а свинец с более высоко - молекулярными фракциями, поэтому максимум его содержания находится в гумифицированном горизонте О3 (Кабата-Пендиас, Пендиас, 1989).
Таким образом, можно констатировать, что сходство в распределении в подстилке элементов-загрязнителей аэрального происхождения (ТМ и 137Сs) обусловлено, с одной стороны, их единой природой, а с другой – высокой удерживающей способностью лесных подстилок по отношению к техногенным аэральным выпадениям в целом. Экологическая роль лесной подстилки определяется ее барьерными функциями на пути вертикальной миграции элементов – загрязнителей и зависит от ее мощности, состава и строения, а также от состава и количественных показателей микрофлоры. Уничтожение подстилки при антропогенном воздействии и лесных пожарах приводит к снижению сорбционной емкости лесных почв и усилению интенсивности геохимических потоков поллютантов.
(*) Работа выполнена при поддержке фонда «Университеты России».