ИССЛЕДОВАНИЕ ДИНАМИКИ СОДЕРЖАНИЯ РАДИОЦЕЗИЯ В КОМПОНЕНТАХ ЛЕСНЫХ БИОЦЕНОЗОВ МЕТОДОМ ФАКТОРНОГО АНАЛИЗА

 

Белов А.А. (ФГУ ВНИИЛМ, г. Пушкино, Московской обл., РФ)

 

The possibilities of using of factor analysis as special statistical method for radiological investigations are discussed. Some results of mathematical analysis of experimental data are given.  

 

Планирование и проведение работ по использованию, охране, защите и воспроизводству лесов, загрязненных радионуклидами, осуществляется на основе комплекса мероприятий, обеспечивающих мониторинг радиационной обстановки в лесах, контроль содержания радионуклидов в лесных ресурсах и лесной продукции на всех уровнях производства и т.д. Научное обеспечение этих мероприятий включает ряд направлений, и в том числе изучение воздействия ионизирующих излучений на состояние лесных экосистем в зонах радиоактивного загрязнения и выявление закономерностей миграции радионуклидов в лесных биогеоценозах. Разработка практических рекомендаций возможна только на основе детального знания особенностей пространственного распределения радионуклидов в лесной среде, их аккумуляции и динамики содержания в структурных частях деревьев и других компонентах леса.

Анализ радиационной обстановки в лесах существенно более сложен, чем в других природно-растительных сообществах, в силу разноуровневого, дискретного и неоднородного характера распределения радионуклидов под пологом леса, зависимости доли радионуклидов, участвующих в биологическом круговороте, от типа почвы, видового состава насаждений и т.п., особенностей поступления радионуклидов в органы и ткани древесных насаждений разной видовой принадлежности, разного физиологического состояния, их последующего перераспределения, сезонной динамики содержания радионуклидов в отдельных компонентах биоценозов и в связи с многими другими специфическими особенностями лесной среды. 

Важным условием высокой эффективности системы радиационного мониторинга леса является ее адаптивность,  подразумевающая способность к постоянному развитию и совершенствованию на основе систематической оптимизации методов получения, обработки и использования информации.

К настоящему времени накоплен значительный объем экспериментальных радиоэкологических данных. Менее существенны достижения в понимании причин и глубинных биофизических и биохимических механизмов наблюдаемых явлений. Не исключено, что определенное влияние на результаты исследований оказывают недостаточная репрезентативность выборок и использование недостаточно емких методов математического анализа, особенно при исследованиях многолетних рядов данных об изменениях содержания радионуклидов в компонентах лесных биоценозов в условиях большого набора факторов, влияющих на поступление радионуклидов в растения.

Информативность имеющихся экспериментальных материалов может быть существенно увеличена при обработке их специальными математическими методами и, в частности, с использованием  факторного анализа. Известно, что основная цель обычно применяемых методов вариационной статистики заключается в попытке систематизации процедуры принятия решений на фоне варьирующих наблюдений; формой реализации этой цели является статистическая проверка ранее сформулированной нулевой гипотезы  относительно альтернативной гипотезы с помощью соответствующих количественных критериев (t Стьюдента, F Фишера и др.).

Существенно иной, не менее сложной стороной исследовательского процесса является качественное оценивание изучаемой ситуации, которое в сущности является попыткой систематизировать интуицию исследователя в отношении сути наблюдаемых изменений в изучаемой системе и выявлении причин этих изменений. Приблизиться к этой цели позволяет факторный анализ, который обеспечивает упорядочение  кажущейся хаотичности изучаемого явления; он не только дает возможность проверить гипотезы, но и сам является источником возникновения гипотез. Результаты математико-статистической обработки непосредственно измеряемых параметров могут быть использованы для выдвижения предположений об истинных функциональных величинах, лежащих в основе явления. Важно, что в анализе можно использовать данные как контролируемого эксперимента, так и неконтролируемого, полевого.

Исходной предпосылкой статистического исследования является наличие взаимосвязи между несколькими одновременно наблюдаемыми переменными величинами. Количественной мерой связи между любыми двумя переменными в анализируемой системе является коэффициент корреляции; совокупность коэффициентов корреляции для всех парных сочетаний переменных величин образует корреляционную матрицу, которая служит отправной точкой факторного анализа. Алгоритм анализа базируется на тезисе о том, что отдельные наблюдаемые значения измеряемых переменных величин являются линейными комбинациями гипотетических, ненаблюдаемых, или скрытых, переменных, называемых факторами, которые не могут быть обнаружены в процессе наблюдения.

Анализ ведется по схеме последовательного вычленения числовых характеристик факторов из их совокупности. Сам по себе факторный анализ не позволяет определить физическую или биологическую природу факторов, однако он дает возможность выявить их наличие и предположительно определить направления дальнейших биогеоценологических исследований. Метод достаточно универсален и может использоваться при изучении отдельных органов и тканей древесных пород, а также целых компонентов лесных экосистем. Описание метода и порядок расчетов приведено в ряде математико-статистических пособий.

Возможность использования факторного анализа для целей радиологических исследований опробована нами с использованием результатов измерений содержания Cs-137 в почве и структурных элементах деревьев сосны в 8 древостоях с разной степенью загрязнения почвы радионуклидом. Полевые исследования проведены сотрудниками отдела радиационной экологии ФГУ ВНИИЛМ в Злынковском и Клинцовском лесхозах Брянской обл. в рамках радиационного мониторинга леса в период с 2004 по 2008 г. Пять опытных участков являются чистыми сосняками, в 2 участках в составе древостоя наряду с сосной имеется береза (соответственно 3 и 4 единицы), 1 участок - смешанный древостой (3Е2С1Д3Ос1Б). Средний возраст деревьев в разных участках – от 50 до 80 лет; высота – от 21 до 29 м, диаметр ствола – от 21,4 до 38,8 см. Типы условий произрастания – А₂, А₃, В₂, В₃. 

По результатам анализа проб почвы активность Cs-137 в разных участках в среднем за весь период исследований колебалась от 209,5∙10³ до 1067,1∙10³ Бк/м2; средняя удельная активность Cs-137 в древесине сосны – от 128,3 до 813,3 Бк/кг, в коре сосны – от 569,3 до 3946,8 Бк/кг.

Отмечен сравнительно высокий уровень вариативности показателей содержания Cs-137 во всех трех компонентах биоценоза: коэффициент вариации удельной активности Cs-137 в почве колебался от 5,5 до 24,7%, в древесине от 18,4 до 53,6% и в коре от 7,1 до 26,9%. Временной тренд изменения удельной активности Cs-137 на разных пробных площадях имел как отрицательную, так и положительную направленность: коэффициент корреляции показателей активности с фактором времени (численные значения фактора от 2004 до 2008) колебался от -0,821 до +0,886 для проб почвы, от -0,563 до +0,889 для проб древесины и от -0,882 до +0,912 для проб коры. 

В таблице приведены оценки факторных нагрузок трех выделенных факторов для каждой пробной площади. Данные по удельному содержанию Cs-137 в почве, древесине и коре анализировали отдельно: использовали 3 корреляционные матрицы по 28 элементов.

Таблица – Оценки факторных нагрузок (Сi) по материалам измерений удельной активности радиоцезия на 8 пробных площадях в 2004-2008 гг.

Ком-понент	Индекс факторной нагрузки	Оценки факторных нагрузок для пробных площадей
		СУ-1	СУ-3	СУ-4	СУ-5	СУ-6	СУ-7	СУ-8	СУ-10
Почва	С1	-0,128	-0,407	0,154	0,684	0,654	0,962	0,492	0,976
	С2	0,995	0,813	-0,702	-0,719	0,570	-0,342	0,610	0,171
	С3	-0,251	-0,496	0,399	0,256	0,454	0,196	-0,691	0,144
Древе-сина	С4	0,636	0,911	-0,614	0,770	0,785	0,961	-0,951	0,495
	С5	0,710	-0,329	0,756	0,469	-0,558	-0,197	0,099	-0,837
	С6	-0,235	0,238	-0,159	0,307	0,266	0,279	0,394	0,011
Кора	С7	-0,376	0,835	0,516	0,891	0,959	0,687	-0,275	0,948
	С8	0,844	-0,525	-0,856	0,348	0,261	0,730	0,910	0,174
	С9	-0,258	0,266	0,118	0,332	0,217	0,137	0,036	-0,393

 

Числовые значения факторных нагрузок аналогичны коэффициентам в регрессионных уравнениях: чем больше абсолютная величина нагрузки (от +1 до -1), тем больше сила воздействия фактора. Из таблицы видно, что диапазон оценок каждого фактора для пробных площадей достаточно широк, причем одни и те же факторы в разных участках оказывали как положительное, так и отрицательное влияние на изменение удельной активности Cs-137.   

Сопоставление значений факторных нагрузок с некоторыми переменными величинами выявило ряд существенных зависимостей. В частности, значения параметра С4 положительно связаны с удельным содержанием Cs-137 в коре (r = 0,784±0,253) и почве  (r = 0,570±0,335) и отрицательно с полнотой древостоев ((r = -0,550±0,341), значения С7 отрицательно коррелируют со средней высотой древостоев (r = -0,771±0,260) и толщиной деревьев (r = 0,709±0,288), значения С9 положительно связаны с удельным содержанием Cs-137 в древесине (r = 0,755±0,268), значения С1 положительно с возрастом древостоев (r = 0,677±0,300) и отрицательно со средним диаметром деревьев (r = -0,602±0,326) и т.д.

Как показал статистический анализ, имеется связь между оценками факторных нагрузок и коэффициентом регрессии b в эмпирических уравнениях, аппроксимирующих изменения удельного содержания радиоцезия в отдельных компонентах биоценоза в связи с фактором времени. В частности, в соответствии с выявленными соотношениями оценкам С4<0,120 соответствовало уменьшение, а оценкам С4>0,120 увеличение содержания  Cs-137  в древесине сосны (r = 0,725±0,281), оценкам С1<-0,362 – уменьшение, а оценкам С1>-0,362 увеличение содержания нуклида в почве в период с 2004 по 2008 год и т.д.  Выявлено уменьшение численных значений факторных нагрузок С4, характеризующих динамику содержания Cs-137 в древесине в связи  с увеличением высоты местности и при переходе от типа условий местопроизрастания А₂-А₃ к В₂-В₃.

В ходе анализа определена теснота статистической связи удельного содержания радионуклида в компонентах биоценоза с отдельными таксационными характеристиками исследованных участков леса. В частности, выявлена отрицательная связь степени загрязнения коры и древесины с возрастом и полнотой древостоев, которые в сумме определяли не более 68% вариабельности удельного содержания Сs-137.

Результаты анализа свидетельствуют о том, что динамика уровня содержания радиоцезия в компонентах биоценозов определяется комплексом внешних факторов, действие которых может быть как положительным, так и отрицательным в разных условиях места и времени, что обусловливает возможность резких чередований подъемов и спадов измеряемого признака.  

Выявление физической природы выделенных факторов – задача специальных биогеоценологических исследований, в ходе которых должна осуществляться детальная регистрация пространственно-временных условий в насаждениях не только во время отбора проб на содержание радионуклидов в растительности, но и в предшествующий период.