ПРОСТРАНСТВЕННОЕ РАСПРЕДЕЛЕНИЕ  РАДИОНУКЛИДОВ И ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ В ЛЕСНЫХ ПОЧВАХ БРЯНСКОГО ПОЛЕСЬЯ

 

Щеглов А.И., Цветнова О.Б. (МГУ, г. Москва, РФ)

 

The peculiarities of space heterogeneity of ¹³⁷Cs and heavy metals (Pb, Cu, Cd, Zn) in  forest  soils of Bryansk Polissya are considered.

 

Интерес к изучению структуры полей загрязнения природных и агроэкосистем  элементами техногенных выпадений различной природы и сравнительному анализу этих полей  все более возрастает в связи с глобальным загрязнением окружающей среды. Закономерности  пространственно-временных изменений структуры полей загрязнения являются основой  для прогнозных оценок состояния  и  могут служить одной из характеристик при разработке рекомендаций по ведению народнохозяйственной деятельности на загрязненных территориях. В связи с этим изучение структуры полей загрязнения лесных экосистем элементами различной природы (радионуклидами и тяжелыми металлами) явилось целью настоящих исследований.

Исследования проводились на территории Красногорского района Брянской области (Красногорское лесничество) на выровненном участке зандровой равнины в сосняке–зеленомошнике 60-летнего возраста. Здесь сформированы слабоподзолистые иллювиально-железистые песчаные почвы на флювиогляциальных отложениях. Изучение пространственного распределения радионуклидов  проводили на примере ¹³⁷Cs и его стабильного изотопа  ¹³³Cs,  тяжелых металлов  - на основе анализа содержания подвижных форм соединений Pb, Cu, Cd, Zn., поскольку  именно эти соединения являются наиболее чувствительным показателем  содержания ТМ  в почве [1,2] 

Для решения поставленной задачи на выбранном ключевом участке была разбита сеть квадратов с фиксированием их границ и точек пробоотбора. Выбор оптимального размера площади квадрата определялся лесотаксационными характеристиками древостоя и  особенностями мезорельефа (каждый квадрат характеризовал один определенный элемент мезорельефа). Исходя из этого оптимальным для ключевого участка являлся квадрат площадью 6*6 м. В центре каждого квадрата была заложена точка наблюдения. В указанных точках нами производился отбор образцов лесной подстилки и минеральных горизонтов почв по слоям 0-5 и 5-10 см.  Отобранные пробы  высушивали при температуре 105ºС и  размалывали на лабораторной мельнице до однородной массы. Определение содержания ¹³⁷Cs проводили на гамма-анализаторе Nokia 49002. Подвижные формы соединений тяжелых металлов и стабильного цезия определяли на атомно-адсорбционном спектрофотометре С-115-М1 в вытяжке 1н HCl  при соотношении почва: раствор 1:10.

Проведенные исследования показали, что в пределах исследуемого участка содержание кислоторастворимых (подвижных) форм ТМ близко к фоновым концентрациям микроэлементов в почвах региона [3], в то время как плотность загрязнения данной территории по ¹³⁷Cs  достигает более  2000 кБк/м² , что значительно превышает показатели, принятые за фоновый уровень [4]. Основным горизонтом аккумуляции ТМ является лесная подстилка, которая  обладает высокой депонирующей способностью по  отношению к этим элементам. Помимо обменного поглощения  компоненты органического вещества лесной подстилки могут образовывать с ТМ комплексы, в составе которых эти элементы становятся малоподвижными [5]. Для ¹³⁷Cs горизонтом аккумуляции является  гумифицированный слой подстилки и прилегающая к ней 0-1 см подподстилочная толща.

Содержание ¹³⁷Cs в почвах по критерию Шапиро-Уилка подчиняется нормальному закону распределения, что характерно и для глобальных выпадений. В то же время распределение стабильного изотопа цезия ¹³³Cs  и ТМ - Pb, Cu, Cd, Zn в большинстве случаев отлично от нормального и может быть аппроксимировано логнормальным законом. Это, вероятно, связано не с аэральным характером выпадений данных элементов, а с геохимическими особенностями территории Брянского полесья. Вместе с тем неоднородность распределения ¹³⁷Cs и  тяжелых металлов   в почвах различна и меняется в зависимости от их химической природы и почвенного слоя. Среди загрязнителей максимальным коэффициентом варьирования (V) характеризуется содержание ¹³⁷Cs, минимальным -  Cu и Pb. В почвенном профиле с  глубиной  коэффициент варьирования содержания ¹³⁷Cs увеличивается, а ТМ - снижается (табл.1). 

 

Таблица 1 - Вариационно-статистические показатели пространственной неоднородности плотности загрязнения ¹³⁷Cs (кБк/м²) и  содержания кислоторастворимых форм соединений ТМ (мг/кг)  в лесных почвах Брянского полесья (n=12-36).

Металл	Слой	М	Min	max	V,%
137Cs	О	2233,4	1005	2975	35,1
	0-5	2465,2	1517	4164	35,6
	5-10	501,8	215	1027	46,5
Zn	О	54,5	22,5	118,0	33,3
	0-5	5,9	4,1	10,3	24,8
	5-10	4,8	3,9	7,8	15,6
Cd	О	1,16	0,68	2,00	25,0
	0-5	0,24	0,12	0,35	27,0
	5-10	0,24	0,12	0,35	23,5
Pb	О	14,04	8,3	21,4	18,6
	0-5	5,62	4,0	7,0	11,9
	5-10	5,1	4,4	6,0	8,2
Cu	О	3,12	1,35	4,75	14,8
	0-5	1,44	1,25	1,75	9,4
	5-10	0,41	0,18	0,88	10,9
133Cs	О	5,9	2,8	9,7	20,4

- М - среднее арифметическое;  min, max – минимальное и максимальное значения; V,% - коэффициент варьирования

Нарастание коэффициента варьирования содержания ¹³⁷Cs с глубиной свидетельствует о том, что в результате миграции первичная однородность загрязнения не сглаживается, как это можно было бы предположить, а нарастает. Соответственно, глубина проникновения ¹³⁷Cs в профиле почв неодинакова, а ее граница имеет выраженную языковатую форму [4].  Снижение  показателя неоднородности ТМ вниз по почвенному профилю (к породе) может быть обусловлено влиянием почвообразовательного процесса и  биологического круговорота  на первичное распределение  этих элементов в почвенно-грунтовой толще.

Для характеристики структуры полей загрязнения лесных экосистем ¹³⁷Cs и выявления особенностей изменения пространственной неоднородности содержания ТМ в почвах нами были построены карты-схемы распределения данных элементов. Карты-схемы свидетельствуют о значительном отличии пространственного распределения радионуклидов и тяжелых  металлов на исследуемой территории. Так, распределение ¹³⁷Cs отличается от такового его стабильного изотопа (¹³³Cs) и ряда ТМ. Для него характерна более высокая неоднородность и выраженная микроочаговость, что в целом свойственно чернобыльским выпадениям [4]. В распределении ¹³³Cs, Cd, Zn и Сu наблюдается совпадение контуров максимального и минимального накопления. Это,  видимо, свидетельствует об одинаковой  природе происхождения данных элементов – литогенной, а также о влиянии на их пространственное распределение одного фактора – биологического круговорота. Пространственное распределение Pb – иное, оно в большей степени соответствует таковому ¹³⁷Cs, что говорит о возможном аэральном пути поступления этого элемента  в почву.  Необходимо отметить, что структура полей загрязнения различными элементами в подстилке и минеральной толще неодинакова. Это обусловлено химической природой элементов и связанными с этим различиями в их миграционной подвижности в почвенном профиле, а также с влиянием парцеллярной структуры биогеоценоза на перераспределение данных элементов. Так, для Zn и Cu и в меньшей степени  Cd микроочаговость в их распределении с глубиной сохраняется, а для Pb и ¹³⁷Cs нарушается. В первом случае это свидетельствует о локальном характере миграции элементов по вертикально сопряженным микрозонам в результате конвективного переноса, биогенной миграции и лессиважа. Во втором  случае нарушение отмеченных закономерностей в изменении структуры полей загрязнения Pb и ¹³⁷Cs в почвах с глубиной, видимо, связано со значительным вкладом аэрального пути поступления этих элементов в исследуемые  экосистемы.

Высказанное предположение подтверждается показателем коэффициента корреляции Спирмана, что говорит о наличии или отсутствии связи между распределением исследуемых элементов (табл.2).

Полученные данные свидетельствуют, что между содержанием  Zn, Cd и   ¹³³Cs  существует положительная связь. Последнее  подтверждает однотипность происхождения данных элементов в почвах – литогенное. У Pb  положительная связь существует только с ¹³⁷Cs, для других элементов аналогичная связь отсутствует. Исходя из этого можно предположить, что  нахождение  Pb  и  ¹³⁷Cs в почвах  в основном связано с одним фактором – антропогенным (аэральные выпадения).

 

Таблица 2 - Коэффициенты корреляции Спирмана для содержания ¹³⁷Cs (Бк/кг) и концентрации ТМ (мг/кг) в лесных почвах Брянского полесья (n=36).

Металл	137Cs	Zn	Cd	Pb	133Cs	Cu
Лесная подстилка
Zn	-0,35*	1,0				-
Cd	-0,30	0,65*	1,0			-
Pb	0,36*	-0,31	0,10	1,0		-
133Cs	-0,54*	0,58*	0,58*	-0,33*	1,0	-
Слой 0-5 см
Zn	0,38*	1,0			-
Cd	0,54*	0,20	1,0
Pb	0,03	0,07	0,21	1,0
Cu	0,23	0,30	0,49*	0,26	-	1,0
Слой 5-10 см
Zn	0,40*	1,0
Cd	0,08	-0,11	1,0
Pb	0,17	0,36*	0,16	1,0
Cu	0,24	0,35*	0,1	0,35*	-	1,0

* -- показывает существование связи между содержанием  отдельных элементов

Таким образом, в целом структура полей загрязнения почв различными элементами в значительной степени определяется соотношением потоков их поступления  в  окружающую среду. При доминировании аэрального пути поступления  элементов отмечается более высокая неоднородность и выраженная микроочаговость в  структуре полей загрязнения, которая наиболее выражена в поверхностных горизонтах. Литогенное происхождение элементов обусловливает  совпадение контуров их максимального и минимального накопления в профиле почв, поскольку это обусловлено особенностями протекания почвообразовательного процесса и биологического круговорота.

Литература

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

2.         Обухов А.И., Попова А.А. Сезонная динамика и пространственная вариабельность содержания ТМ в почвах и почвенно-грунтовых водах //Почвоведение, 1992. № 9. 

3.         Смит У.Х. Лес и атмосфера. М.:Наука, 1990.

4.         Shcheglov А.I., Tsvetnova O.B., Klyashtorin A.L. Biogeochemical migration of technogenic radionuclides in forest ecosystems. M.: Nauka. 2001..

5.         Ильин В.Б., Степанова М.Д. Относительные показатели загрязнения в системе почва - растение //Почвоведение,1979. № 11.  

(*) Работа выполнена при поддержке РФФИ (04-04-48323)