КОНЦЕПТУАЛЬНАЯ МОДЕЛЬ И ПАРАМЕТРЫ БИОГЕОХИМИЧЕСКОЙ МИГРАЦИИ 137Cs В ЛЕСНЫХ ЛАНДШАФТАХ

Подходы к оценке запасов137 С$ в компонентах лесных экосистем и параметризации его биогеохимических потоков. Для того чтобы показать вклад основных компонентов в круговороте веществ, необходимо иметь представление об их общей биомассе, годичной продукции, величинах возврата органической массы с опадом и отпадом.

Для травянистой растительности годовой прирост определялся посредством динамических наблюдений за приростом доминирующих видов, а годичная продукция складывалась из максимальных показателей биомассы этих видов. Возврат органической массы с надземной частью травянистой растительности при допущении, что она является однолетней, считали равным 100%. Фитомассу корней принимали равной 35% от надземной биомассы; годичную продукцию подземных органов и опад - 1/3 их запасов [17]. В балансовых расчетах концентрацию 137Cs в надземной и подземной частях травянистой растительности считали одинаковой, хотя рядом исследователей отмечается, что основное количество радионуклидов у травянистых видов сосредоточено в корневой системе [146].

Биомасса мхов определялась экспериментальным путем. Годичная продукция мхов (в соответствии с литературными данными) составляет в зависимости от типа БГЦ 10-25% от общих запасов их биомассы, а годичное поступление органической массы с опадом и отпадом мхов варьирует от 70 до 98% годичной продукции [143]. Аналогичные придержки (100%) рекомендуют использовать Н.И. Базилевич и др. [17]. Исходя из этого, величину возврата с растительными остатками мха мы принимаем равной 98% годичной продукции.

В отношении грибного комплекса сложности, в основном, связаны с учетом надземной и подземной масс этого компонента БГЦ. Для плодовых тел различных видов макромицетов характерна физиологическая цикличность урожаев.

Рис. 95. Длина (Л) и биомасса (Б) мицелия грибов в профиле подзолистых песчаных почв сосняков (уч. К-2) (1) и широколиственно-хвойных лесов (уч. Ш-1) (2) [86]

для напочвенных сапротрофов - 1 : 62,6 и для симбиотрофов - 1 : 154 [38]. Максимальные запасы общей биомассы (мицелий + споры) приходятся на подзолистые и дерново-подзолистые почвы под хвойными лесами - более 200 г/м2 [71, 149]. В суммарном выражении доля грибного мицелия по массе составляет примерно 20% от запасов опада и лесной подстилки [38]. По последним данным, полученным с помощью люминесцентно-микроскопического метода, запасы грибного мицелия составляют от 88 до 99% всей микробной биомассы почвы, что в абсолютном выражении колеблется от п102 до л-103 г/м2 в зависимости от типа БГЦ, типа почв, климатических условий года [185]. Несмотря на неоднозначность вопросов, касающихся массы мицелия грибов в подстилке и почве и ее соотношения с биомассой плодовых тел, для оценки роли грибов в биогеохимическом цикле 137Cs возможно использовать имеющиеся литературные данные для относительно сходных условий функционирования экосистем.

Для лесов умеренного пояса средняя многолетняя урожайность плодовых тел грибов составляет 15 кг/га [38]. В широколиственнохвойных лесах автоморфных ландшафтов Украинского Полесья наибольшая концентрация мицелия приурочена к лесной подстилке, в минеральной толще с глубиной происходит ее достоверное снижение (рис. 95). В то же время максимум запасов грибного мицелия смещается в минеральные подподстилочные горизонты в силу увеличения плотности сложения и мощности этих слоев [185].

Таблица 87. Соотношение содержания в почве различных видов грибного мицелия, %

Принятые в расчет придержки хорошо согласуются с показателями, установленными другими исследователями [71,149,335]. Концентрация 137 Cs в плодовых телах и мицелии грибов также считается одинаковой, что практикуется в работах подобного рода [335]. Согласно экспериментальным данным, полученным в опытах с почвенными грибами [294], коэффициенты накопления 137Cs (Бк/кг мицелия: Бк/кг почвы) в мицелии этих грибов в 1,5-2 выше, чем в плодовых телах высших базидиальных грибов и варьируют в близком диапазоне величин в зависимости от почвенно-экологических условий и доступности 137Cs.

Запасы микробной биомассы в почве очень динамичны как в течение вегетации, так и в многолетних циклах, что свидетельствует о высокой интенсивности ростовых и продукционных процессов. По данным [185], от лета к весне запасы грибного мицелия меняются в 2- 3 раза как в сторону ее увеличения, так и снижения. Таким образом, решение вопроса о годичной продукции грибного комплекса и величинах возврата органической массы с отмирающей подземной частью также представляет определенные трудности. В расчетах годичную продукцию мицелия условно принимали равной 50% от общих запасов его биомассы. Этот показатель был получен, исходя из следующих рассуждений. По данным микологов от 50 до 90% массы мицелия может ежегодно возобновляться. По результатам исследований, полученным

непосредственно для экспериментальных участков [86], относительное содержание в почве светлоокрашенного мицелия, который считается быстроотмирающим, составляет около 60% (табл. 87). В добавление к этому, можно сослаться также на указания, что период жизни мицелия в почве в среднем достигает двух лет [327]. Таким образом, принятые величины отражают минимальный уровень возможной годичной продукции и возврата массы мицелия с его опадом и отпадом.

Резюмируя все вышеизложенное и обращая внимание на то, что подобного системного анализа с целью установления роли различных компонентов БГЦ в биогеохимической миграции 137Cs в лесных экосистемах ранее не проводилось, хотим еще раз подчеркнуть, что для ряда компонентов (грибной комплекс, мхи, травянистая растительность) эта оценка сделана на основании минимальных показателей как биомассы, так и величин концентрации в ней 137Cs.

Концептуальная модель биогеохимической миграции 137С$ в лесных ландшафтах. Модель включает в себя два главных блока - биоту и почву - с подразделением на подчиненные субблоки, значение которых в рассматриваемых биогеоценозах наиболее статистически значимо. Вклад биоты и почвы в суммарное загрязнение БГЦ в динамике меняется. Напомним, что сразу после выпадений в древесном ярусе лесных экосистем удерживалось до 90% суммарной активности. В настоящее время в зависимости от ландшафтно-геохимических условий в биоте удерживается от 6,5 до 43,9% от общего загрязнения БГЦ (рис. 96, 97). Если учесть, что данные цифры говорят о доле 137Cs, включенного в биогеохимический цикл, в то время как в начальный период основным было поверхностное загрязнение, то становится очевидным, что роль биоты в закреплении радионуклидов (в частности 137Cs) со временем не снижается. Вместе с тем происходит перераспределение 137Cs по субблокам биоты: вклад древесного яруса, несмотря на значительные запасы его фитомассы, снижается и нарастает вклад компонентов напочвенного покрова. Особое же значение в этой связи приобретают моховой покров и грибной комплекс. Мхи в зависимости от степени развития их проективного покрытия аккумулируют от 0,08 до 5,85% от суммарных запасов 137Cs в БГЦ. Эти показатели для некоторых фитоценозов, например сосняков, сопоставимы с вкладом древесного яруса, а для болотных формаций превосходят последний. Следует подчеркнуть, что, согласно результатам исследований других авторов, вклад мхов в загрязнение лесных ландшафтов варьирует в более широких пределах - от 1 до 12% [133, 193]. Наибольший вклад в суммарную активность биоты в настоящее время, даже по минимальным оценкам, вносит грибной комплекс. Этот вклад составляет 2,7-23,5%. Подобные расчеты по оценке вклада мхов и грибов в загрязнение БГЦ до настоящего времени не проводились, несмотря на то, что эти компоненты являются концентраторами

Рис.

Интенсивность годового потока выражена в % от общего содержания в БГЦ

Рис. 97 Биогеохимический цикл 137Cs в лесах элювиальных ландшафтов ближней зоны загрязнения: А - сосняк разнотравно-злаковый; Б - широколиственно-хвойный лес

Интенсивность годового потока выражена в % от общего содержания в БГЦ

радионуклидов. Запасами радионуклидов в основных компонентах напочвенного покрова пренебрегали из-за незначительных по сравнению с древесным ярусом запасов их надземной фитомассы [89]. Добавим однако, что установленные на основании минимальных показателей массы мицелия и концентрации в нем радиоцезия придержки укладываются в интервал величин по накоплению 137 С$ в мицелии (от 10 до 63% от содержания нуклида в почве), полученных в прямых экспериментах [294, 312, 335].

Из компонентов биоты наименьший вклад в аккумуляцию l37Cs в БГЦ вносит травяно-кустарничковый ярус - он составляет десятые доли процента и лишь в условиях аккумулятивных ландшафтов увеличивается до 1,67%.

Таким образом, по величине вклада в общее загрязнение блока биоты его субблоки ранжируются следующим образом: грибной комплекс gt; моховой покров gt; древесный ярус gt; травяно-кустарничковый ярус. Т.е. достаточно очевидно, что вклад грибов в биогеохимическом цикле 137Cs превосходит вклад высших растений. При этом роль грибного комплекса нарастает в ряду: автоморфные ландшафты гидроморфные ландшафты и лиственные ценозы хвойные ценозы. Следовательно, микобиота является одним из главных факторов, определяющих роль лесной подстилки как биогеохимического барьера на пути вертикальной миграции 137 Cs в лесных экосистемах.

При рассмотрении роли различных потоков в перераспределении 137Cs в лесных ландшафтах в целом в первую очередь обращает на себя внимание соотношение потоков этого нуклида, поступающих в растительность и в почву с опадом, и вариации этой величины в различных ландшафтах. Если в лесах аккумулятивных ландшафтов поступление 137 Cs в растительность по абсолютной величине приблизительно равно их возврату с опадом, то в элювиальных ландшафтах возврат 137Cs с опадом в 2-5 раз превышает его корневое поступление. Это хорошо согласуется с изменением суммарных запасов 137Cs в древостое исследуемых ценозов со временем. В элювиальных ландшафтах динамика суммарных запасов 137Cs имеет выраженный тренд снижения, в аккумулятивных, напротив, отмечается рост рассматриваемого показателя в многолетнем ряду. Отсюда очевидно наличие определенной связи между КП 137С$ и величиной соотношения рассматриваемых потоков: поступления в растительность и возврата с опадом в почву. При снижении КП величина указанного соотношения расширяется, т.е. поступление 137С$ в растения уменьшается, а его возврат с опадом увеличивается вследствие возрастания роли поверхностного загрязнения в этих условиях. Исключением являются ценозы ближней части 30-километровой зоны ЧАЭС, где, несмотря на рост КП 137 Cs в растительность и его запасов в древесном ярусе в многолетнем ряду, наблюдается существенное отставание поступления этого радионуклида в древостой по сравнению с возвратом в почву. Причина такого несоответствия до конца не совсем ясна и, возможно, заключается в том, что КП 137Cs в растительность на участках ближней части 30-километровой зоны характеризуются наименьшими величинами практически среди всех ценозов. Отмеченные особенности существенно отличают биологический круговорот (БК) радионуклидов от БК макроэлементов. Во-первых, при радиоактивных выпадениях накопление радионуклидов растительным ярусом лесных экосистем, в первую очередь, определяется поверхностным загрязнением. Поэтому, несомненно, что в течение длительного времени процессы самоочищения доминируют над корневым поступлением радионуклидов. Во-вторых, количество радионуклидов, поступивших в почву в результате аварийных выпадений, фиксировано, их динамика, в основном, характеризуется снижением доступных форм в результате необменного закрепления в почве. Их количество не увеличивается за счет валовых запасов, как происходит у макроэлементов. Таким образом, можно констатировать, что в загрязненных лесах в ряду ландшафтов возврат 137Cs в почву с опадом в большинстве случаев превалирует над поступлением его в растения за счет корневого потребления. Эти различия нарастают по мере снижения КП 137Cs в растительность. В аккумулятивных ландшафтах соотношение данных потоков близко к 1 и максимально приближено к характерному для макроэлементов.

Значимый вклад в поток 137 Cs в почву в лесных БГЦ вносит его поступление с кроновыми и стволовыми водами (0,05%). Эта величина сопоставима с величиной выноса 137Cs из горизонта О с вертикальным внутрипочвенным стоком и даже с поступлением в древесный ярус лесов элювиальных ландшафтов дальней части зоЩ»1 загрязнения.

В почвенном блоке основной поток 137С$ наблюдается из лесной подстилки - 1,6-3,4% в год. В минеральной толще интенсивность этого потока ослабевает до десятых-сотых долей процента, что свидетельствует об аккумуляции здесь радионуклидов, поступающих из подстилки. За пределы корнеобитаемой полуметровой толщи 137Cs мигрирует в пределах сотых долей процента в год. Исключением являются почвы аккумулятивных ландшафтов, где внутрипочвенный сток выражен в наибольшей степени и величина его практически не меняется с глубиной. В таких условиях наблюдается максимальный вынос 137Cs за пределы почвенного профиля и поступление его в грунтовые воды. Т.е. роль инфильтрационного стока, или так называемой "быстрой компоненты", в вертикальном перемещении 137С$ в торфяных почвах значительно выше, чем в дерново-подзолистых [223]. Вместе с тем сопоставление фактического перераспределения радионуклидов в почве с величинами выноса 137Cs с внутрипочвенным стоком говорит о подчиненности инфильтрационного стока в миграции радионуклидов в верхней части профиля и его определяющей роли в нижних почвенных горизонтах.

В целом в лесных БГЦ интенсивность вовлечения радионуклидов в БК не сопоставима с их выносом за пределы корнеобитаемой толщи. Это свидетельствует о том, что Б К является одним из ведущих факторов, сдерживающих поступление радионуклидов в грунтовые воды. При этом в аккумулятивных ландшафтах роль биоты в аккуму

ляции 137Cs и интенсивность основных потоков данного нуклида резко усиливается (примерно в 10 раз). Особенно возрастает интенсивность восходящих потоков 137Cs из почвы. Это связано с отсутствием значимого влияния торфяно-болотных почв на необменную фиксацию I37Cs в условиях аккумулятивных ландшафтов, соответствующим ростом коэффициентов его перехода в растительность, а также пролонгированным поступлением 137Cs с окружающих территорий. Суммарное годовое приращение запасов 137Cs в БГЦ аккумулятивных ландшафтов составляет около 1%. В то же время в сосняках в отличие от смешанных насаждений наибольший относительный вклад в биогеохи- мическую миграцию 137Cs в блоке биоты вносит грибной комплекс. Последнее, видимо, обусловлено тем, что максимальное развитие этот компонент БГЦ имеет в хвойных (сосновых) ценозах [149].