ЛЕСНАЯ РАДИОЭКОЛОГИЯ НА ПОРОГЕ XXI ВЕКА

Щеглов А.И.,
доктор биологических наук, зав. лабораторией радиоэкологии МГУ,
участник ликвидации последствий аварии на ЧАЭС, 1986 -1996 гг.

Цветнова О.Б.,
кандидат биологических наук, старший научный сотрудник лаб. радиоэкологии МГУ,
участник ликвидации последствий аварии на ЧАЭС, 1988-1996 гг.

(Работа выполнена при финансовой поддержке программы "Университеты России")

Лаборатория радиоэкологии Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова с 1957 г. проводит радиоэкологические исследования, сначала на Восточно-Уральском радиоактивном следе, затем в районах, пострадавших от аварии на ЧАЭС. Сотрудники лаборатории сразу же после чернобыльской радиационной катастрофы включились в научно-исследовательские работы по ликвидации ее последствий. Непосредственные впечатления от этих работ и научные достижения лаборатории за период, прошедший после катастрофы, нашли отражение в монографиях, многочисленных статьях и публикациях в научных и научно-популярных сборниках, в том числе 2-х томном издании "Москва - Чернобылю" (М.: Воениздат, 1998). Активное участие в популяризации трудов лаборатории принимает Научная ассоциация инвалидов Чернобыля МГУ им. М.В. Ломоносова (президент - генеральный директор Пятецкий Л.С.). При финансовой поддержке Ассоциации в издательстве "Наука" в 2000 г. был осуществлен выпуск дополнительного тиража монографии А.И. Щеглова "Биогеохимия техногенных радионуклидов в лесных экосистемах (по итогам 10-летних исследований), а в настоящее время завершается подготовка к ее изданию на английском языке.

В последние годы в связи с резким сокращением объема финансирования лаборатория была вынуждена, несмотря на свой огромный исследовательский потенциал, сократить масштабы работ в части загрязненных регионов и, в первую очередь, в 30-км зоне отселения ЧАЭС (Украина). Однако благодаря финансовой поддержке Российского Фонда Фундаментальных Исследований, программы "Университеты России" и небольшому гранту МАГАТЭ нам удается не прерывать долговременные уникальные наблюдения за поведением техногенных радионуклидов в природных экосистемах ряда областей Российской Федерации, наиболее серьезно пострадавших в результате аварии на ЧАЭС. В 1999-2000 гг. масштабы исследований даже несколько расширилась, по инициативе МоАЭП развернулись работы по разработке концепции обеспечения экологической безопасности АЭС. В рамках этой проблемы ведутся исследования по оценке воздействия на наземные экосистемы действующей и проектируемой 2-ой очереди Смоленской АЭС. Эти работы включают изучение ландшафтно-экологических особенностей "малого" (5-7 км) и "большого" (20 -30 км) регионов размещения проектируемой АЭС и выделение критических экоучастков в структуре наземных ландшафтов; оценку современного состояния наземных экосистем региона и прогноз его изменения при строительстве и эксплуатации АЭС; разработку комплекса мероприятий по охране природных и культурных биогеоценозов от возможных негативных эффектов воздействия АЭС и разработку концепции обеспечения экологической безопасности АЭС.

Однако в настоящее время основное внимание в научных разработках лаборатории уделяется теоретическому осмыслению полученных материалов; обоснованию и анализу возможности экстраполяции выявленных закономерностей миграции радионуклидов в природных условиях (как радиоактивная метка) на поведение в почве других техногенных загрязнителей, в частности тяжелых металлов; оценке экологических функций почвы при различных типах техногенного загрязнения наземных экосистем и др. Все эти работы вносят существенный вклад в развитие и современное осмысление такой научной дисциплины, как радиоэкология. Мы считаем целесообразным более подробно остановиться на отмеченных положениях, тем самым отразив наши взгляды на достижения в этой области науки и осветить задачи, вставшие перед радиоэкологией на пороге XXI века.

Радиоэкология, как наука, изучающая процессы взаимодействия живых организмов друг с другом и со средой обитания в условиях радиоактивного загрязнения, сформировалась в 30 - 40 гг. ушедшего века. В ее становлении и развитии выделяется 5 этапов (Aleksakhin, 2000). Чернобыльская авария и последующий поставарийный период выделен в особый этап, который ознаменовался наиболее бурным ростом исследований. Этому способствовал целый ряд моментов. Во-первых, радиоактивному загрязнению подверглась огромная территория, охватывающая несколько природно-климатических зон. Так, только в СНГ плотность загрязнения более 1 Ки/км2 зафиксирована на площади 131070 км2, из них на долю России приходится 36%, Украины - 28,6%, Белоруссии - 35,4% (Ядерная энциклопедия, 1996). Потребовалась разработка целого комплекса контрмер для возможного ведения народнохозяйственной деятельности на территориях, резко различающихся как по плотности загрязнения, так и почвенно-экологическим условиям. Во-вторых, в радиоэкологические исследования включилось большое число специалистов из смежных научных дисциплин. Резко (в десятки - сотни раз) возросли масштабы самих исследований и объемы получаемого экспериментального материала. Была организована целая сеть радиоэкологических стационаров и служб в системе различных ведомств: Госкомгидромета, Комитета по лесу, Минсельхоза и др. В свою очередь, вследствие притока финансовых средств со стороны государства и помощи западных стран существенно расширилась и обновилась материально-технической база научных исследований. И, последнее, в конце 80 гг. произошло рассекречивание этих работ и материалов, связанных с изучением поведения радионуклидов в объектах природной среды, дозовых нагрузок и т.п., в том числе полученных ранее на Восточно-Уральском радиоактивном следе. Возможность доступа к уже имеющимся наработкам в совокупности с новыми научными достижениями способствовала бурному развитию радиоэкологии в целом.

При ликвидации последствий чернобыльской аварии многие дискуссионные научные положения получили подтверждение, но вместе с тем были разработаны и новые концепции в области биогеохимии и техногенных радионуклидов, оценки влияния ландшафтных особенностей и форм радиоактивных выпадений на поведение и закономерности миграции радионуклидов и ряд других.

Была пересмотрена концепция радиационной защиты окружающей среды. Если ранее, в 40-80 гг., на первое место выдвигалась защита человека, то сейчас говорится о защите биосферы в целом, то есть и биоты, и человека как ее компонентов.

В лесной радиоэкологии многие частные задачи в значительной степени были решены ранее в модельных экспериментах, на примере глобальных выпадений и при работах на радиоактивном следе кыштымской аварии. В рамках изучения роли лесных экосистем в первичном распределении радионуклидов было показано, что леса являются выраженными аккумуляторами техногенных выпадений. Аккумулирующий эффект лесных насаждений зависит от видового состава и проективного покрытия фитоценозов, климатических условий года и периода вегетации. В наибольшей степени радионуклиды поглощаются кронами хвойных деревьев, а также при нейтральных метеорологических условиях и в весенне-летний период максимального развития поверхности ассимилирующих органов у лиственных пород. В среднем коэффициент задерживания радиоактивных выпадений древесным ярусом принимают равным степени сомкнутости крон. Исключение составляют лиственные леса в межвегетационный период, когда деревья лишены ассимилирующих органов. Задерживающая способность древесного яруса в этом случае оказывается примерно в 3 раза меньше (Алексахин, Нарышкин, 1977; Тихомиров, 1972, 1988; Куликов, Молчанова, Караваева, 1990; Экологические последствия ..., 1993; "Лес и Чернобыль", 1994; Краснов, 1998; Щеглов, 1999; Лес. Человек. Чернобыль., 2000 и др.).

Еще одной особенностью в первичном распределении радионуклидов является так называемый "опушечный эффект". Он был отмечен в большей части зоны радиоактивного загрязнения Кыштымской аварии и проявлялся в повышенном отложении радионуклидов в кронах деревьев, растущих на лесных опушках с наветренной стороны по отношению к источнику радиоактивного выброса.

По большинству отмеченных положений практически все исследователи единодушны в своих выводах, сделанных как на основании модельных экспериментов, так и в натурных исследованиях в зоне влияния кыштымской и чернобыльской аварий. Остается лишь дискуссионным вопрос о влиянии лесных экосистем на первичное перераспределение радиоактивных выпадений в глобальном масштабе. В настоящее время существует 2 точки зрения на эту проблему. Первая: на лесные массивы выпадает больше активности, чем на прилегающие безлесные участки; вторая - лесные экосистемы не оказывают влияние на глобальное перераспределение выпадений. Решение данной проблемы требует широкомасштабных обследований лесных и прилегающих к ним безлесных территорий или сопоставления картографических материалов по плотности загрязнения территории и растительного покрова. Вместе с тем, несмотря на дискуссионность рассматриваемого вопроса, уже сейчас с достоверностью можно констатировать, что леса по сравнению с другими наземными экосистемами являются выраженными биогеохимическими барьерами на пути миграционных потоков радионуклидов и элементов техногенных выпадений в целом.

Другой, по праву, ключевой в лесной радиоэкологии является проблема установления пространственно-временных закономерностей миграции и перераспределения радионуклидов по компонентам экосистем. Именно в рамках данного направления определяется интенсивность миграционных потоков радионуклидов в биогеоценозах (БГЦ) и в том числе по трофическим цепям, что в конечном итоге характеризует дозовые нагрузки во всех звеньях исследуемой цепи. Весь прошедший до- и послечернобыльский период исследований показал чрезвычайную сложность вопросов, относящихся к анализу закономерностей миграции радионуклидов и факторов, ее обусловливающих. Среди достижений в этом направлении следует отметить установление особенностей поведения 90Sr, в частности, его повышенную миграционную способность и коэффициенты перехода (КП) практически во все компоненты лесных экосистем, за исключением репродуктивных органов и грибов, а также установление особенностей его сезонной и многолетней динамик по сравнению с таковой 137Cs .

Так, было показано, что динамика различных радионуклидов неадекватна как в компонентах растительного яруса, так и во временном ряду. В сезонной динамике 137Cs в ассимилирующих органах древесных пород отмечается однонаправленное снижение его концентрации от весны к осени, a 90Sr, напротив, - рост рассматриваемого показателя в течение периода вегетации. В то же время в древесине минимум концентрации 137Cs приурочен к началу интенсивного весеннего сокодвижения. Еще более сложна и неоднозначна сезонная динамика содержания радионуклидов в компонентах травяно-кустарничкового яруса, характер которой меняется в зависимости от видовой принадлежности растений и условий их произрастания. Было также установлено, что в целом сезонные колебания содержания радионуклидов коррелируют с накопительной способностью отдельных компонентов БГЦ и достигают уровней межвидовых вариаций этого показателя. Нужно подчеркнуть, что большинство отмеченных закономерностей в современной интерпретации были сформулированы в постчернобыльский период, но до настоящего времени в рамках рассматриваемых проблем остались нераскрытыми причины данных явлений. Существующие пояснения носят, как правило, гипотетический характер. Вместе с тем решение поставленных задач чрезвычайно важно не только с теоретической точки зрения в плане познания особенностей течения физиологических процессов, используя передвижение радионуклидов как радиоактивную метку в негативных условиях, но и в прикладном аспекте - для оценки изменения интенсивности потоков радионуклидов по трофическим цепям в годовых циклах.

Исследования пространственно-временных закономерностей миграции радионуклидов чернобыльских выпадений показали, что многолетняя динамика их накопления в компонентах растительного покрова характеризуется далеко не столь однозначными закономерностями, как это утверждалось ранее. Наибольшее единство во мнении специалистов отмечается по вопросам изменения содержания Sr в многолетнем ряду. Для многолетней динамики 90Sr характерно нарастание корневого потребления до определенного уровня, затем некоторая стабилизация его содержания в растениях и последующее снижение за счет радиоактивного распада и необменного закрепления в почве. Исключением является динамика содержания этого радионуклида в древесине, где в многолетнем ряду длительный период отмечается кумулятивный характер накопления 90Sr. Для многолетней динамики 137Cs согласования в позициях различных авторов нет. Ряд исследователей считает, что многолетняя динамика 137Cs близка к таковой 90Sr; то есть на первом этапе после выпадений происходит однонаправленный рост содержания 137Cs, затем его стабилизация и падение за счет радиоактивного распада. Другие исследователи отмечают, что многолетняя динамика этого радионуклида не столь однозначна и зависит от ландшафтных особенностей. Кумулятивный характер накопления 137Cs проявляется лишь на территориях, где интенсивность корневого поступления радионуклида близка или превосходит интенсивность его необменного закрепления. Такая картина наблюдается в условиях гидро-морфных или полугидроморфных ландшафтов, а также в ближней 5-10 км зоне выпадений (в случае 30-км зоны отчуждения ЧАЭС), где выпадения представлены труднорастворимыми формами соединений. В условиях же автоморфных ландшафтов кумулятивный эффект практически не выражен, и многолетняя динамика характеризуется однонаправленным снижением содержания Cs в многолетнем ряду. Последнее объясняется доминированием процессов необменного закрепления радионуклида в почве над его накоплением растениями. Отмеченные особенности многолетней динамики 137Cs были установлены в последние годы на примере чернобыльских выпадений и еще не получили должной оценки, поэтому при прогнозировании и моделировании до последнего времени мало учитывались. В большинстве работ подобного рода прогнозные оценки все еще даются только на основании одного кумулятивного эффекта. Однако очевидно, что к динамическим характеристикам необходимо применять дифференцированный подход, учитывающий влияние ландшафтных особенностей территории загрязнения. Так, было установлено, что влияние климатического фактора, в частности, количества атмосферных осадков в вегетационный период в зависимости от условий произрастания различно. Оно прямое на автоморфных и обратное - на гидроморфных ландшафтах. Вместе с тем недостаточно ясным остается вопрос об уровнях колебаний содержания радионуклидов в многолетнем ряду и факторах, их определяющих. Только зная указанные особенности, можно эффективно использовать динамические показатели при прогнозах изменения радиационной обстановки.

Изучение особенностей содержания радионуклидов в различных компонентах биоты позволило ранжировать их по накопительной способности, выделить виды и структуры концентраторы (биоиндикаторы) и дискриминаторы, а также дать оценку относительного вклада этих компонентов в суммарное загрязнения экосистемы. Это имеет чрезвычайно важное значение при расчетах дозовых нагрузок при миграции радионуклидов по трофическим цепям. В интегрированном виде по уровням концентрации 137Cs компоненты напочвенного покрова располагаются в следующий ряд: древесный ярус < травяно - кустраничковый ярус < мохово - лишайниковый покров < грибной комплекс. Проведенные исследования показали, что грибы являются абсолютными аккумуляторами 137Cs в лесном БГЦ. Кратность различий по этому показателю между грибным комплексом и другими компонентами БГЦ составляет 2, а по сравнению с древесиной - 3 математических порядка. Для 90Sr рассмотренный выше ряд имеет другой вид: грибной комплекс < мохово-лишайниковый покров < травяно-кустарничковый ярус « древесный ярус. В соответствии с этим меняется вклад данных компонентов в загрязнение экосистемы в целом. Для 137Cs максимальная аккумуляция (до 47% его суммарных запасов в экосистеме) может аккумулироваться в грибах: для 90Sr - в древесном ярусе (до 20%), значительно меньше в травяно-кустарничковом ярусе и моховом покрове и практически незначимо (0,2 - 0,1 % и менее) в грибном комплексе.

По итогам чернобыльских исследований было показано, что внутривидовые различия в накоплении радионуклидов значительно меньше, чем вариации этого показателя между различными компонентами БГЦ. При этом наблюдается определенная положительная корреляция между внутривидовым варьированием и накопительной способностью данного компонента, а также его зольностью. Другими словами, чем выше зольность, тем большая аккумуляция радионуклидов отмечается. Минимальное внутривидовое варьирование (в частности по 137Cs) отмечается у древесных пород, максимальное - у грибов. В аспекте этих общих положений вопрос о внутрикомпонентном ранжировании видов по их накопительной способности, тем не менее, остается дискуссионным. Причиной, по всей видимости, является то, что накопление радионуклидов в отдельных видах растений и грибов определяется не только их физиологическими особенностями, но и условиями произрастания, сопряженностью корневых систем с зонами максимального загрязнения, то есть характером распределения радионуклидов в почвенном профиле.

Еще в меньшей степени изучены вопросы внутривидового и межвидового варьирования содержания 90Sr в компонентах лесных экосистем. Решение этих вопросов в целом, по всей видимости, возможно на основании обобщения имеющихся материалов, а также при постановке специальных экспериментов, предусматривающих верификацию полученных закономерностей. В целом же следует подчеркнуть, что исследования по данному направлению необходимо продолжать. В частности, из выделенных нами ранее по итогам чернобыльских наблюдений видов базидиальных грибов, биоиндикаторов радиоактивного загрязнения - Xerocomus badius, Lactarius rufus, Paxilus involutus - только Xerocomus badius в полной мере сохраняет свои биоиндикаторные свойства. В настоящее время Paxilus involutus не может служить достоверным биоиндикатором. В то же время, по данным на 2000 г., к числу последних может быть причислен Tylopilus felleus, аккумуляция 137Cs в котором, по абсолютной величине, уступает таковой лишь у Xerocomus badius.

Вместе с тем до последнего времени большинство исследований по данному направлению радиоэкологии характеризовались отсутствием комплексности и, как правило, носили прикладной характер, т.е. данные по накоплению и распределению радионуклидов по компонентам БГЦ в основном рассматривались в аспекте оценки доз и интенсивности миграции загрязнителей по трофическим цепям. Однако при изучении экологических последствий техногенного загрязнения, в том числе и радиоактивного, необходимо проведение комплексных исследований с учетом всех компонентов природных экосистем: древесного и травяно-кустарничкового ярусов, мохово-лишайникового покрова, грибного комплекса, органогенной (дернина, подстилка) и минеральной частей почвенного профиля, а также потоков техногенных загрязнителей, формирующихся в этих БГЦ. Максимально эффективной будет закладка дробной сети мониторинга в системе геохимически сопряженных ландшафтов. Последнее позволяет с достаточно высокой достоверностью выявить зоны выноса и вторичной аккумуляции элементов - загрязнителей, а также геохимические, фитоценотические и биогеохимические барьеры в исследуемой системе ландшафтов территории загрязнения. В свою очередь, это обеспечивает не только возможность долгосрочного прогнозирования перераспределения техногенного загрязнения, но и позволяет наметить систему эффективных контрмер по локализации и минимализации определенной чрезвычайной ситуации.

Рассмотренные моменты чрезвычайно важны при моделировании и прогнозных оценках радиоэкологической обстановки. К сожалению, подобные комплексные исследования пока немногочисленны, но имеющиеся наработки со всей очевидностью показывают важность такого подхода к вопросам радиоэкологии. Использование указанного подхода позволило показать, что в биогеохимических циклах техногенных радионуклидов соотношение потоков существенно отличается от потоков макроэлементов, в частности, их неизотопных аналогов Са и К. Для этих макроэлементов возврат в почву с опадом в большинстве случаев в 2 - 3 раза меньше, чем их поступление в растения на создание годичной продукции за счет корневого потребления. Для радионуклидов данное соотношение меняется, причем степень изменения зависит от ландшафтных особенностей. В лесах аккумулятивных ландшафтов ежегодное корневое поступление радионуклидов в годичную продукцию по абсолютной величине приблизительно равно их возврату. В лесах элювиальных ландшафтов возврат в 2 - 5 раз больше их годового потребления корневым путем. Наряду с этим, интенсивность вовлечения радионуклидов в биологический круговорот значительно превышает их вынос с инфильтрационным потоком влаги за пределы корнеобитаемой толщи.

Еще одной особенностью радиоэкологических исследований является установление биогеохимических барьеров на пути миграции радионуклидов в экосистемах. Показано, что роль этих барьеров неоднозначна как в самой структуре БГЦ, так и во времени. В условиях автоморфных ландшафтов выраженным биогеохимическим барьером является почва, в аккумулятивных ландшафтах и хвойных ценозах - биота и, в первую очередь, микробиота. Барьерные функции почв по отношению к радионуклидам наиболее значимы среди всех компонентов БГЦ. Результаты исследований показывают, что с инфильтрационным стоком мигрируют десятые - сотые доли % суммарного количества радионуклидов в год. При этом за пределы почвенного профиля выход радионуклидов с гравитационной влагой составляет не более сотых долей % в год. Таким образом, в почве аккумулируется основное количество активности: от 80 до 95% (с учетом микробиоты) в лесных экосистемах и до 100% в агроэкосистемах (в зависимости от периода вегетации растений). Вместе с тем барьерные функции почв по отношению к различным радионуклидам проявляются неодинаково. Наиболее интенсивно сорбируется 137Cs, в значительно меньшей степени 90Sr, 106Ru, Pu. Следует подчеркнуть, что высокая сорбционная способность почв по отношению к 137Cs характерна для всех типов почв и фитоценозов, в том числе и для дерново-подзолистых песчаных почв. Исключение составляют торфяные почвы.

Барьерные функции экосистем и их отдельных компонентов имеют определенную временную динамику. Известно, что в течение вегетации для ряда макро - и микроэлементов четко выявляется фитоценотический барьер. В последующем барьерные функции вновь переходят к почве. Для радионуклидов это проявляется несколько по-иному. Однако данные аспекты еще до конца не изучены, они требуют уточнения и подтверждения.

Исследование экологических последствий влияния чернобыльской аварии показало также, что в условиях природных, в частности, лесных экосистем наиболее эффективными контрмерами, направленными на снижение техногенного воздействия, является рациональное ведение лесного хозяйства на основе максимально полного использования экологических функций почвенного покрова. Все проводимые в последние годы контрмеры по восстановлению и рекультивации радиоактивно-загрязненных лесов оказались значительно менее эффективными, чем природные факторы. Эффективное оперирование этими факторами в практических целях предполагает учет видовых и возрастных особенностей компонентов растительного ценоза и ряд других показателей, оказывающих воздействие на накопительную способность экосистем, степень неоднородности их влияния. (Имеется в виду тот факт, что чистую продукцию можно получать и с более загрязненных территорий, поскольку даже при одной плотности загрязнения биологическая доступность радионуклидов в зависимости от почвенно-экологических условий варьирует в пределах 2 математических порядков). С учетом отмеченного необходимой основой для рационального использования природных ресурсов является создание радиоэкологической классификации (или классификаций) наземных экосистем, в основу которой должен быть положен ландшафтный подход и разработанная система интегральных показателей. При таком подходе в предлагаемой классификации в максимальной степени будут учитываться элементы ландшафта и свойства почв. В противном случае, при дробном учете всех факторов классификация будет громоздкой и трудно реализуемой на практике.

С конца XX века начался новый, пятый этап в развитии радиоэкологии. Основными направлениями исследований в этот период, по мнению академика Алексахина P.M., является гармонизация технологий, обеспечивающих здоровье человека и защиту окружающей среды (Aleksakhin , 2000). Действительно, в условиях глобального загрязнения биосферы радионуклидами и другими поллютантами исследования их комбинированного действия на компоненты наземных экосистем приобретают особую актуальность. Основой для решения данных вопросов опять-таки является изучение закономерностей миграции элементов-загрязнителей в различных ландшафтах. Особое место в этих исследованиях отводится выявлению синергизма в их воздействии на компоненты биоты и факторов, определяющих миграционные потоки техногенных загрязнителей в системах: "почва - растение", "почва - грунтовые воды", "грунтовые воды - речная сеть", поскольку эти системы являются основными звеньями трофической цепи поступления к человеку. Изучение данных проблем позволит не только познать особенности сочетанного действия элементов-загрязнителей на объекты природной среды, но расширить и углубить научные представления об интенсивности и специфике миграции этих элементов во всех горизонтах вертикальной структуры геосистем и звеньях ландшафтных катен, причем в различных динамических состояниях годичных и многолетних циклов, используя радионуклиды как радиоактивную метку в нативных условиях, а также оценить экологические функции почв при различных типах техногенного загрязнения. Именно на решение этих проблем направлены усилия лаборатории радиоэкологии МГУ им. М.В. Ломоносова на пороге XXI века.

Глава II
НАУЧНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПОСЛЕ ЧЕРНОБЫЛЯ