Почвоведение, 2022, № 12, стр. 1610-1620
Запасы лесных подстилок и содержание 137Cs и 90Sr в черноольховых лесах зоны отчуждения Чернобыльской атомной электростанции
Д. К. Гарбарук a, *, А. В. Углянец a, С. В. Шумак a
a Полесский государственный радиационно-экологический заповедник
247618 Хойники, ул. Терешковой, 7, Республика Беларусь
* E-mail: dima.garbaruk.77@mail.ru
Поступила в редакцию 03.03.2022
После доработки 05.07.2022
Принята к публикации 06.07.2022
- EDN: LHXCCK
- DOI: 10.31857/S0032180X22100318
Аннотация
В белорусском секторе зоны отчуждения Чернобыльской АЭС черноольховые леса произрастают на торфянистых оглеенных почвах низинного типа. В черноольшаниках снытевых, крапивных, папоротниковых и осоковых морфолого-генетические показатели лесных подстилок по типам леса варьируют в пределах 26–86%. Мощность лесных подстилок изменяется в среднем от 3.3 до 3.9 см и в целом по формации составляет 3.7 ± 0.1 см, запасы – 2.4–2.8 (2.7 ± 0.1 кг/м2), плотность сложения – 0.06–0.08 (0.07 ± 0.001 г/см3). Вероятно, незначимые различия средних показателей этих характеристик между типами леса – следствие засушливых явлений в период 1989–2020 гг., которые обеспечили выравнивание условий увлажнения почв и интенсивности разложения подстилок. Мозаичность выпадения радионуклидов обусловила широкое варьирование поверхностного загрязнения почв 137Cs (174–5617 кБк/м2) и 90Sr (17–348 кБк/м2). В черноольшаниках снытевом, папоротниковом и осоковом средние значения плотности загрязнения почвы 137Cs близки (1004–1314 кБк/м2), 90Sr – на порядок ниже (106–142 кБк/м2). В лесной подстилке этих типов леса средние величины удельной активности 137Cs не имеют существенных различий между собой (24.1–29.9 кБк/кг), а удельная активность 90Sr по мере увеличении почвенного увлажнения снижается от 4.8 до 2.7 кБк/кг. Запасы 137Cs и 90Sr в лесных подстилках широко изменяются по типам леса (18.4–85.6 и 3.4–13.5 кБк/м2) и коррелируют с запасами лесной подстилки и поверхностным загрязнением почв. В подстилке всех черноольшаников зоны отчуждения содержится 10.6 × 1012 Бк 137Cs и 1.4 × 1012 Бк 90Sr.
ВВЕДЕНИЕ
В белорусском секторе зоны отчуждения (ЗО) Чернобыльской АЭС (ЧАЭС), в границах которой функционирует Полесский радиационно-экологический заповедник, сосредоточено 30% выпавшего в Беларуси 137Cs и 73% 90Sr, которые неравномерно и мозаично распределены по территории, а в его заповедной зоне плотность поверхностного загрязнения почвы 137Cs достигает 16 465 кБк/м2, 90Sr – 2701 кБк/м2 [1]. Суммарные запасы их активности в биомассе черноольховых лесов заповедной зоны составляют около 102.0 × 1012 Бк 137Cs и 10.4 × 1012 Бк 90Sr [10].
Черноольховые леса по состоянию на 2020 г. занимают 14 783 га, или 10.6% лесопокрытой площади заповедника. В типологической структуре формации преобладают черноольшаники снытевый (15.2%), локализованный в типе лесорастительных условий Д3 [38], крапивный (11.2%) – в Д4, таволговый (16.8%) и папоротниковый (34.2%) – в С4, и осоковый (16.9%) – в С5. На насаждения ольхи черной старше 60 лет приходится 33.1% площади. Из них более 80% находятся в заповедной зоне, в которой на протяжении 35 лет отсутствовало антропогенное влияние на развитие лесных фитоценозов по причине высокого радиоактивного загрязнения территории.
К настоящему времени в загрязненных радионуклидами лесных биогеоценозах Беларуси сформировался замкнутый биологический круговорот радиоактивных веществ. На гидроморфных почвах в него вовлечено 6–12% 137Cs [1]. Часть радионуклидов аккумулирована в лесных подстилках.
Лесная подстилка (ЛП) – биогеогоризонт, в определенной степени особый компонент лесного биогеоценоза, задерживающий в себе минеральные элементы [17], включая радионуклиды. В радиоактивно загрязненных лесах она является биогеохимическим барьером для их вертикального перемещения [37], временно удерживая их в своей толще и пролонгируя переход в минеральную часть почвы [16]. К осени 1986 г. в ЛП содержалось 80.5–87.3% выпавших на леса радиоактивных веществ. В 1992 г. в 30-километровой зоне ЧАЭС Украины ею удерживалось 58.3–90.5% 137Cs от суммарной плотности загрязнения, в 1995 г. – до 70% радиоактивных выпадений [37]. В ЛП березняка черничного в белорусском секторе ЗО ЧАЭС содержалось 7.0% 137Cs и 8.3% 90Sr от совокупного в фитоценозе [25].
Наименьшей способностью удерживать радионуклиды обладают ЛП черноольховых лесов на гидроморфных почвах [1, 15, 29, 37]. В Беларуси в конце 1980-х гг. запас радионуклидов в них составлял около 30% от общего количества в почве, в начале 1990-х гг. – менее 10% [29], а через 30–35 лет после аварии на ЧАЭС содержание 137Cs в ЛП черноольшаников снизилось до 5.9% [1].
Способность ЛП удерживать радионуклиды определяется ее мощностью, запасом, составом и возрастом древостоя, а также видовым составом и обилием нижних ярусов растительности, условиями увлажнения, микробиологической активностью и другими факторами [16, 20, 29, 37]. Сведения о толщине ЛП в черноольшаниках Беларуси встречаются во многих публикациях [9, 32, 39], но работ, посвященных непосредственно изучению их характеристик для условий Полесья, не выявлено. Поэтому, наряду с оценкой современных запасов 137Cs и 90Sr в ЛП черноольшаников ЗО ЧАЭС, актуальным вопросом является определение характеристик самих подстилок.
Цель исследования – установить современные характеристики ЛП в черноольшаниках белорусского сектора ЗО ЧАЭС, оценить в них запасы 137Cs и 90Sr, выявить существующие между ними связи и влияющие факторы.
ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ
Исследования ЛП и содержания в ней 137Cs и 90Sr проводили в белорусском секторе ЗО ЧАЭС с 15 сентября по 5 октября 2020 г. на временных пробных площадях, заложенных в черноольшаниках снытевых (7), крапивных (3), папортниковых (9) и осоковых (7), произрастающих в заповедной зоне Полесского заповедника, ограниченной изолинией плотности поверхностного загрязнения почвы 137Cs более 40 Ки/км2 (1480 кБк/м2). Закладку пробных площадей выполняли в соответствии с источником [27] и методами, описанными в работе [19]. При определении таксационных показателей древостоев использовали справочник [21].
Древостои ольхи черной 51–80-летнего возраста, высокополнотные (0.78–1.28), чистые или с 10–20% примесью березы и дуба и с единичным участием в составе осины, граба, ясеня, клена, липы, вяза и других пород, по запасам стволовой древесины (290–660 м3/га) близки к нормальным насаждениям ольхи черной в Беларуси. Средняя по типам леса таксационная характеристика приведена в табл. 1, детальная – в работе [35].
Таблица 1.
Средние таксационные показатели черноольшаников
Тип леса/тип лесорастительных условий | Количество ВПП, шт. | Возраст, лет | Средние | Бонитет | Густота, шт./га | Сумма площади сечения, м2/га | Полнота | Запас, м3/га | Среднее изменение запаса, м3/га | |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
высота, м | диаметр, см | |||||||||
Черноольшаник снытевый/Д3 | 7 | 62 | 24.2 | 26.9 | I | 710 | 35.4 | 1.0 | 405 | 6.5 |
Черноольшаник крапивный/Д4 | 3 | 51 | 27.5 | 30.3 | Iа | 740 | 47.6 | 1.2 | 595 | 11.7 |
Черноольшаник папоротниковый/С4 | 9 | 65 | 26.2 | 29.6 | I | 580 | 37.4 | 1.0 | 475 | 7.3 |
Черноольшаник осоковый/С5 | 7 | 69 | 22.8 | 29.0 | II | 540 | 32.1 | 0.9 | 340 | 4.9 |
Материалы анализировали по типам леса, характеризующимся различными условиями местопроизрастания. Согласно лесотипологическим таблицам [38], каждому типу леса соответствует конкретный тип лесорастительных условий, или эдафотоп, обозначаемый индексами трофности и влажности. В исследованных черноольшаниках трофотоп С указывает на относительно плодородные почвы, Д – на наиболее плодородные; индекс влажности 3 соответствует влажным почвам, 4 – сырым, 5 – мокрым.
Основными фоновыми и индикаторными видами живого напочвенного покрова в порядке уменьшения ими проективного покрытия почвы являются: в черноольшанике снытевом – Galeobdolon luteum Huds., Stellaria holostea L., Aegopodium podagraria L., Asarum europaeum L., Geum rivale L., Dryopteris carthusiana (Vill.) H. P. Fuchs, Carex acuta L., C. pallescens L., Paris quadrifolia L.; в крапивном – Urtica dioica L., Impatiens glandulifera Royle, Dryopteris carthusiana (Vill.) H. P. Fuchs, D. filix-mas (L.) Schott, Athyrium filix-femina (L.) Roth, Galium palustre L., Carex elongata L., Aegopodium podagraria L.; в папоротниковом – Athyrium filix-femina (L.) Roth, Dryopteris carthusiana (Vill.) H. P. Fuchs, Carex elongata L., C. canescens L., Urtica dioica L., Impatiens noli-tangere L., Phragmites australis (Cav.) Trin. ex Steud., Galium palustre L., Lycopus europaeus L., Filipendula ulmaria (L.) Maxim.; в осоковом – Carex elongata L., C. pseudocyperus L., C. vesicaria L., C. canescens L., C. acutiformis Ehrh., C. acutiformis Ehrh., Urtica dioica L., Dryopteris carthusiana (Vill.) H. P. Fuchs, Athyrium filix-femina (L.) Roth, Lycopus europaeus L., Phragmites australis (Cav.) Trin. ex Steud.
Почвы под насаждениями ольхи черной торфяно-болотные низинные, со среднемощным (до 50 см) слоем сильноразложившегося кислого органического материала, сменяемым глеевым горизонтом, начиная с глубины 30 см, в условиях преимущественно грунтового увлажнения (Dystric Rheic Sapric Histosols) [23, 30].
Согласно классификации [4], исследуемые ЛП черноольшаников ЗО ЧАЭС относятся к торфянистому типу.
Определение мощности и запаса ЛП на пробных площадях выполняли методом отбора образцов на учетных площадках при помощи шаблона размером 0.5 × 0.5 м. Количество площадок определяли исходя из того, что запас и мощность ЛП в пределах насаждения зависят от степени однородности участка, его микрорельефа, особенностей лесных насаждений и подвержены сильным колебаниям [2, 11, 17, 31, 34], а для определения запаса ЛП в определенном типе леса широколиственно-еловых лесов с 20%-ной точностью необходим отбор 43 проб при вероятности 0.95 и 31 пробы – при вероятности 0.90 [17]. Отбор образцов ЛП в черноольшаниках проводили на каждой пробной площади в 15-кратной повторности при равномерном размещении учетных площадок. В снытевом и осоковом типах леса заложено по 105 учетных площадок, в папоротниковом – 135, в крапивном – 45.
Поскольку точность определения толщины ЛП в сосняках при 40–50 замерах составляет 7–12% [3], то в ольшаниках ЗО ЧАЭС ее измеряли на каждой из четырех сторон учетных площадок и определяли среднее значение. В итоге на каждой временной пробной площади произведено по 60, а по типам леса – по 180–540 замеров, чем обеспечивалась высокая точность средней толщины ЛП.
На каждой площадке определяли массу образцов ЛП при естественной влажности, которые в пределах пробной площади объединяли, перемешивали и отбирали среднюю пробу.
Влажность измельченных средних проб ЛП определяли методом высушивания до постоянной массы при 100–105°С в соответствии с ГОСТ 28268-89 “Почвы. Методы определения влажности, максимальной гигроскопической влажности и влажности устойчивого завядания растений”. Затем рассчитывали их абсолютно сухой вес, запас абсолютно сухой массы и плотность сложения ЛП на учетных площадках и в среднем на пробной площади [22]. Далее рассчитывали средние показатели мощности, запаса и плотности сложения ЛП и отдельные статистические показатели для каждого типа леса и формации в целом.
Средние пробы ЛП на пробной площади делили на три равные части, в каждой определяли удельную активность (Ау) 137Cs и 90Sr на сцинтилляционном гамма-бета-спектрометре МКС-АТ1315 (Беларусь). Величины Ау137Cs и 90Sr на временных пробных площадях в образцах рассчитывали как среднее из трех измерений.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
Мощность лесной подстилки. В лесах Беларуси толщина ЛП колеблется в пределах от 1 до 5 см, иногда достигая 10 см и более, в том числе в черноольшаниках – до 4–5 см [32]. В 1960-х гг. в черноольшанике снытевом она составляла 3.0 см, в крапивном – 2.2 см, в папоротниковом – 3.3 см, в осоковом – 3.2 см [39]. В диапазоне 2–3 см находилась ее мощность на мелиорированных почвах в аналогичных типах леса на сопредельной с ЗО ЧАЭС территории [9]. В Припятском заповеднике, расположенном в 130 км северо-западнее ЗО ЧАЭС, в черноольшанике крапивном она составляла 4 см, в осоковом – 3 см, в березняке долгомошном – 3 см [5]. Близкими величинами характеризовалась толщина ЛП в березняках снытевом (3 см) и папоротниковом (2–4 см) Беларуси [40]. В загрязненных радионуклидами лесах Брянской и Калужской областей России, расположенных восточнее ЧАЭС и на 0.5°–3° севернее ее широты, средняя мощность ЛП изменяется в диапазоне 4–5 см, в том числе в черноольшаниках – 2–4 см [37].
Установлено (табл. 2), что в ЗО ЧАЭС средняя толщина ЛП в насаждениях четырех типов леса ольхи черной составляет 3.7 ± 0.08 см при среднем коэффициенте вариации (36.6%) и очень высокой (3.6%) точности.
Таблица 2.
Характеристика лесной подстилки по типам леса
Статистики | Черноольшаник | Все насаждения | |||
---|---|---|---|---|---|
снытевый | крапивный | папоротниковый | осоковый | ||
n | 105 | 45 | 135 | 105 | 390 |
Мощность, см | |||||
Min–max | 1.5–6.5 | 1.5–5.5 | 1.0–7.0 | 1.0–15.0 | 1.0–15.0 |
M ± m | 3.3 ± 0.12 | 3.8 ± 0.14 | 3.9 ± 0.11 | 3.8 ± 0.22 | 3.7 ± 0.08 |
Cv/Р | 37.1/3.6 | 25.9/3.9 | 34.0/2.9 | 59.0/5.8 | 36.6/3.6 |
Запас, кг/м2 | |||||
Min–max | 0.7–8.4 | 0.9–4.5 | 0.7–5.7 | 0,4–18,0 | 0,4–18,0 |
M ± m | 2.7 ± 0.14 | 2.4 ± 0.19 | 2.8 ± 0.10 | 2.5 ± 0.22 | 2.7 ± 0.08 |
Cv/Р | 53.2/5.2 | 33.5/5.0 | 41.8/3.6 | 86.5/8.4 | 58.4/3.0 |
Плотность подстилки, г/см3 | |||||
Min–max | 0.03–0.21 | 0.03–0.14 | 0.03–0.13 | 0.03–0.12 | 0.03–0.21 |
M ± m | 0.08 ± 0.003 | 0.06 ± 0.007 | 0.07 ± 0.002 | 0.07 ± 0.002 | 0.07 ± 0.001 |
Cv/Р | 36.6/3.6 | 31.8/4.7 | 28.1/2.4 | 32.9/3.2 | 33.9/1.7 |
Средняя мощность ЛП по типам леса изменяется в узком диапазоне (3.3–3.9 см) при значительной разбежке коэффициентов вариации (25.9–59.0%) и высокой точности (2.9–5.8%). Максимальная ее изменчивость и наименьшая точность отмечаются в черноольшанике осоковом. В лесах Брянской области толщина ЛП варьирует в более узких пределах (24.9–35.7%) [37].
Несмотря на то, что исследования ЛП в ЗО ЧАЭС выполнены до начала массового листопада, когда толщина этого компонента фитоценозов под лиственными древостоями минимальна [17, 28], установленная ее мощность по типам леса на 10.0–72.7% превышала данные 1960-х гг. [39].
Запас лесной подстилки в насаждениях зависит от ее мощности, плотности, скорости разложения органического вещества, определяемой увлажнением почв, составом опада, то есть видами и обилием растений в фитоценозе [13, 17]. Количество опада определяется типом биогеоценоза и климатическими условиями года, а основным компонентом в его составе является масса опавших листьев, доля которых в черноольховых лесах достигает 40% [37].
Вес сухой массы ЛП под пологом лесов величина относительно постоянная и по обобщенным данным находится в пределах 2–4 кг/м2 (здесь и далее по тексту запасы ЛП из цитируемых источников приведены в кг/м2), достигая иногда 5–10 кг/м2 [18]. В листопадном лесу теплого умеренного климата, согласно работе [36], ее масса составляет около 1–2 кг/м2.
Запасы ЛП меняются с географической широтой. В Евразии средние их величины уменьшаются от заболоченных лесов таежной зоны (до 10.0 кг/м2) до лесостепных районов (<2.0 кг/м2) [26]. В природной зоне широколиственных лесов (в ней расположена ЗО ЧАЭС), расчетная масса ЛП в лесах равна 1.5 кг/м2 [33]. В западных районах бывшего СССР количество ЛП под березняками составляло 1.0–1.4 кг/м2 [8], севернее ЗО ЧАЭС, в лесах Южной Прибалтики в типе лесорастительных условий С3 – 2.63 кг/м2, в Д3 – 9.5 кг/м2 [7], южнее, в хвойных и листопадных насаждениях Украинского Полесья в типе С3 – 0.734 кг/м2, Д3 – 0.809 кг/м2, Д4 – 0.434 кг/м2 [20], в лесах Брянской и Калужской областей – 2–10 кг/м2, в том числе в черноольшаниках – 2–4 кг/м2 [37].
Согласно работе [2], одним из основных факторов, влияющих на процесс формирования ЛП, является рельеф, определяющий почвенное увлажнение. По мере понижения рельефа ее запасы уменьшаются от сухих условий до влажных и возрастают при дальнейшем увеличении влагообеспеченности. В экологическом (типологическом) ряду болотных березняков Западной Сибири масса ЛП изменяется в пределах 2.1–4.5 кг/м2 [12]. В черноольшаниках Беларуси местоположение и рельеф насаждений определяет тип леса, тип лесорастительных условий, прежде всего, его гигротоп, то есть степень увлажнения почвы [38, 39].
В ЗО ЧАЭС запасы ЛП в 26 насаждениях четырех типов леса черноольховой формации изменялись в диапазоне 1.1–6.0 кг/м2, составляя в среднем 2.7 ± 0.08 кг/м2 при 58.4% вариабельности и высокой (3.0%) точности. Средние ее величины по типам леса располагались в крайне узком (2.4–2.8 кг/м2) диапазоне.
Наиболее низкие коэффициенты вариации средних значений запасов ЛП отмечены в черноольшанике крапивном (33.5%), средние – в папоротниковом (41.8%) и снытевом (53.2%). Сильная изменчивость (86.5%) наблюдалась в осоковом типе леса. Это значительно больше вариабельности ее запасов в лесах Брянской области (21.6–28.6%) [37] и в болотных березняках Западной Сибири (16–26%) [12]. При этом всем типам леса свойственна высокая точность средних величин запасов ЛП.
Учитывая, что масса опада в лесах зависит от типа биогеоценоза (у нас они однотипные) и климатических условий года [37], считаем, что отсутствие достоверной разницы в мощности и запасах ЛП между типами леса ольхи черной, превышение современной ее мощности по сравнению с 1960 г., а также высокая изменчивость запаса и толщины ЛП в черноольшанике осоковом обусловлена погодно-климатическими факторами. Так, если за 1997–2012 гг. по данным исследовательской станции “Масаны”, расположенной на территории ЗО ЧАЭС, среднегодовая температура воздуха составляла +7.8°С, сумма осадков – 609 мм, коэффициент увлажнения по Иванову – 0.8–1.3 [24], то за 2016–2020 гг. средняя температура воздуха повысилась до 9.0°С, количество осадков снизились до 586 мм, степень увлажнения территории по Иванову – до 0.86, в том числе за май–сентябрь – до 0.66 (табл. 3).
Таблица 3.
Характеристики тепло- и влагообеспеченности территории зоны отчуждения Чернобыльской атомной электростанции
Год, период | Метеорологические показатели | За месяцы | За год, период |
|||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|
V | VI | VII | VIII | IX | V–IX | |||
2016–2020 | Средняя температура воздуха, °С | 14.7 | 20.1 | 19.7 | 19.6 | 14.8 | 17.8 | 9.0 |
Количество осадков, мм | 77.0 | 65.6 | 82.0 | 36.2 | 30.0 | 290.8 | 586.1 | |
Коэффициент увлажнения по Иванову | 1.08 | 0.55 | 0.88 | 0.36 | 0.44 | 0.66 | 0.86 | |
Гидротермический коэффициент Селянинова | 1.74 | 1.09 | 1.34 | 0.60 | 0.68 | 1.08 | 1.78 | |
2020 | Средняя температура воздуха, °С | 11.6 | 21.2 | 19.7 | 19.4 | 15.9 | 17.6 | 10.0 |
Количество осадков, мм | 144.4 | 131.0 | 50.1 | 50.4 | 9.8 | 385.7 | 622.1 | |
Коэффициент увлажнения по Иванову | 2.44 | 1.18 | 0.49 | 0.52 | 0.13 | 0.95 | 0.91 | |
Гидротермический коэффициент Селянинова | 4.02 | 2.06 | 0.82 | 0.84 | 0.21 | 1.60 | 1.69 |
Для периода современного потепления климата (1989–2019 гг.) в районе ЗО ЧАЭС значительно выросли повторяемость и глубина засушливых явлений [6]. Все это привело к нерегулярным и непродолжительным весенним затоплениям поверхности почвы или их отсутствию в черноольшаниках, к существенному и длительному понижению уровней грунтовых вод, к уменьшению влажности верхних горизонтов почв и ЛП в них.
Вегетационный период 2020 г. был весьма засушливым. Во время отбора проб минимальные значения имели коэффициент увлажнения по Иванову территории ЗО ЧАЭС (0.13) и гидротермический коэффициент Селянинова (0.21), а верхние горизонты почв с ЛП в черноольшаниках вследствие многолетней (2015–2020 гг.) засухи характеризовались большей частью как свежие. В то же время в насаждениях черноольшаника осокового индекс влажности изменялся от свежих до влажных и сырых, что обеспечило более высокую изменчивость запасов и толщины ЛП в этом типе леса. Засушливые погодные явления, обеспечившие низкую влажность почв в черноольховых лесах, создали неблагоприятные гидротермические условия для развития микробиологической деятельности и разложения ЛП [37], что стало причиной уменьшения скорости ее разложения. Выравнивание условий увлажнения и интенсивности разложения ЛП в черноольшаниках, кроме некоторых насаждений осокового, привело к нивелированию их мощности и запаса в разных типах леса. Значительные различия влажности верхних слоев почв в насаждениях чернольшаника осокового обеспечили высокую изменчивость обоих характеристик ЛП.
Плотность лесной подстилки по отдельным учетным площадкам ольхи черной варьирует в пределах 0.03–0.21 г/см3, наиболее сильно – в черноольшаниках снытевом и осоковом. Средняя ее величина по формации составляет 0.07 ± 0.001 г/см3 при очень высокой (1.7%) точности и среднем (33.9%) коэффициенте вариации. Плотность ЛП по типам леса меняется незначительно и характеризуется средними коэффициентами вариации и высокой точностью.
Рассмотрим взаимосвязи характеристик ЛП в черноольховых лесах ЗО ЧАЭС. Так как для большинства сравниваемых в настоящей работе параметров и показателей загрязнения ЛП и почв радионуклидами свойственны ненормальные распределения выборок (табл. 4), то при оценке связей между ними рассчитывали коэффициенты корреляции Спирмена (R).
Таблица 4.
Проверка переменных на нормальность распределения
Пара-метр | Лесная подстилка | Удельная активность, кБк/кг | Плотность загрязнения почвы, кБк/м2 | Запас в лесной подстилке, кБк/м2 | |||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
толщи-на, см | запас, кг/м2 | плот-ность сложе-ния, г/см3 | почвы | лесной подстилки | |||||||
137Cs | 90Sr | 137Cs | 90Sr | 137Cs | 90Sr | 137Cs | 90Sr | ||||
χ2 | 0.13 | 8.35 | 6.49 | 40.96 | 2.88 | 58.35 | 18.13 | 26.56 | 2.47 | 30.73 | 23.81 |
р | 0.72 | <0.05 | <0.05 | <0.05 | 0.09 | <0.05 | <0.05 | <0.05 | 0.12 | <0.05 | <0.05 |
Отмечаемая авторами работ [13, 17] универсальная зависимость запаса ЛП от ее мощности и плотности подтверждена нашими исследованиями для насаждений черноольховой формации ЗО ЧАЭС. В них установлена средняя высоко значимая (здесь и далее по Чеддоку) корреляционная связь запаса ЛП и ее толщины (табл. 5). С учетом всех площадок (n = 390) зависимость между этими показателями характеризуется как сильная (R = 0.758), а также прослеживается средняя корреляция между запасом ЛП и плотностью ее сложения (R = 0.524).
Таблица 5.
Коэффициенты корреляции Спирмена характеристик лесной подстилки и содержания в ней 137Cs и 90Sr (n = 26)
Показатель лесной подстилки | Запас, кг/м2 | Толщина, см |
---|---|---|
Запас, кг/м2 | – | 0.636 |
Плотность сложения, г/см3 | 0.340 | –0.352 |
Удельная активность 137Cs, Бк/кг | 0.127 | 0.155 |
Удельная активность 90Sr, Бк/кг | 0.395 | 0.212 |
Запас 137Cs, Бк/м2 | 0.576 | 0.422 |
Запас 90Sr, Бк/м2 | 0.652 | 0.375 |
Сообщение о влиянии таксационных показателей древостоев на запасы ЛП в одинаковых условиях увлажнения [2] в черноольшаниках ЗО ЧАЭС не подтвердилось: корреляционные связи между ними не выявлены.
В подвергшихся радиоактивному загрязнению лесах ЛП выполняют роль депо радионуклидов в процессе их перераспределения между элементами биогеоценозов, задерживая их поступление в подпостилочные слои почвы [16, 37].
Радиоактивное загрязнение ЛП в черноольшаниках ЗО ЧАЭС. Мощность дозы γ-излучения в насаждениях ольхи черной варьирует в пределах 0.2–6.9 мкЗв/ч и составляет в среднем 1.1 ± 0.28 мкЗв/ч. Высокая мозаичность радиоактивных выпадений “чернобыльского следа” [14, 29, 37] обеспечила широкий разброс значений плотности поверхностного загрязнения почвы (ПЗ) 137Cs по насаждениям (174–5617 кБк/м2) и высокую их изменчивость по типам леса (64.0–163.5%). Средняя по формации величина ПЗ 137Cs составляет 1058 ± 292 кБк/м2, коэффициент вариации – 140.7%. Индивидуальные величины ПЗ 90Sr находятся в диапазоне 17–348 кБк/м2. Среднее значение почти на математический порядок (115 ± 13 кБк/м2), а коэффициент вариации (59.1%) в 2.4 раза меньше по сравнению с аналогичными показателями 137Cs. Вариабельность значений ПЗ почвы 90Sr по типам леса также несколько ниже (43.3–93.6%). Соотношение средних величин ПЗ 137Cs/ПЗ 90Sr по типам леса изменяется от 7.1 до 12.7 и в среднем для формации составляет 9.2.
Средние значения ПЗ 137Cs (1004–1314 кБк/м2), как и ПЗ 90Sr (106–142 кБк/м2) в черноольшаниках, кроме крапивного типа леса, близки между собой при несколько повышенной величине ПЗ 137Cs в наиболее влагообеспеченном черноольшанике осоковом и несущественно пониженной ПЗ 90Sr – в папоротниковом (рис. 1).
Рис. 1.
Плотность загрязнения почвы, кБк/м2: a – 137Cs, b – 90Sr. Здесь и далее: 1 – среднее, 2 – среднее ± ± стандартная ошибка, 3 – минимум–максимум.
![](/issues/pochved/2022/vol_2022/iss_12/Pochved2210031GARBARUK/Pochved2210031GARBARUK-F1.png)
Близость средних значений ПЗ обоих радионуклидов указывает на относительную однородность выборок по этому показателю в трех типах леса. Выпадение из этого ряда черноольшаника крапивного обусловлено, скорее всего, случайно низкими уровнями ПЗ 137Cs и особенно ПЗ 90Sr в подобранных насаждениях, и небольшим объемом выборки. Тем не менее, достоверные различия между средними величинами ПЗ 137Cs и 90Sr в крапивном типе леса с аналогичными показателями черноольшаников снытевого, папоротникового и осокового расчетами не выявлены, что обусловлено широким разбросом индивидуальных значений показателей загрязнения почвы обоих радионуклидов в пределах типов леса.
В ЛП радионуклиды попадают с опадом, в котором их концентрация зависит от содержания в почве, видового состава древостоя, погодно-климатических и почвенно-экологических условий [37]. В черноольховых фитоценозах ЗО ЧАЭС наблюдается широкий размах колебаний крайних значений Ау137Cs и 90Sr в ЛП как в пределах типов леса (рис. 2), так и в целом по формации – 2.6–170.8 и 0.6–14.3 кБк/кг соответственно.
Средняя Ау137Cs в ЛП черноольховых типах леса, за исключением черноольшаника крапивного, имеет близкие значения (24.1–29.9 кБк/кг). В целом по формации концентрация 137Cs в ЛП изменяется синхронно с Ау137Cs в почве и ПЗ 137Cs, что подтверждают ее средняя (R = 0.634) и тесная (R = 0.763) высоко значимые (р < 0.001) корреляционные связи с этими показателями.
Более существенны различия средних значений Ау90Sr в данном элементе биогеоценоза ольхи черной. В ряду типов леса черноольшаник снытевый (4.8 кБк/кг) < черноольшаник папоротниковый (3.4 кБк/кг) < черноольшаник осоковый (2.7 кБк/кг) вместе с повышением влажности почв прослеживается тенденция снижения средней концентрации 90Sr в ЛП. В этом направлении растет и отношение средних Ау137Cs/Ау90Sr в ней от 5.0 и 5.4 в снытевом и крапивном типах леса до 8.9 и 10.0 в папоротниковом и осоковом, что, вероятно, обусловлено интенсификацией переноса 90Sr в подпостилочные слои с ростом влажности подстилки [37].
Доминирующим фактором, определяющим Ау90Sr в ЛП, является содержание радионуклида в верхних слоях 200 мм почв. На это указывают средняя корреляционная связь Ау90Sr в ЛП с Ау90Sr в почве (R = 0.605, p < 0.01) и высокая – с ПЗ 90Sr (R = 0.704, p < 0.001).
В работе [37] указывается на значимое влияние мощности ЛП на миграцию радионуклидов, особенно 137Cs в диапазоне до 3.5–4.0 см. В черноольшаниках ЗО ЧАЭС корреляционные связи концентрации 137Cs и 90Sr в подстилке с ее толщиной не выявлены. Наблюдается слабая значимая корреляция между Ау90Sr в подстилке с ее мортмассой.
Лиственные леса, особенно черноольховые, характеризуются наименьшей способностью удерживать радионуклиды [29, 37]. В черноольшаниках ЗО ЧАЭС разница максимального и минимального запасов 137Cs в ЛП (рис. 3) достигает 92 раз, 90Sr – 38. Коэффициенты вариации их значений по формации составляют 151.5 и 102.3% соответственно. По типам черноольховых лесов соотношение крайних величин запасов 137Cs в ЛП варьирует в диапазоне 5.0–29.3, 90Sr – 4.8–16.5 раз.
Средние запасы обоих радионуклидов в ЛП черноольшаников (рис. 3) изменяются по типам леса синхронно с их Ау (рис. 2) и с ПЗ (рис. 1). Частные величины запаса 137Cs в ЛП всех насаждений ольхи черной находятся в высоко значимых (p < 0.01) средних по силе корреляционных связях с Ау137Cs в подстилке (R = 0.587), а запаса 90Sr – с Ау90Sr в ней (R = 0.584). Средняя корреляция на том же уровне значимости наблюдается между активностью 137Cs в ЛП и ПЗ 137Cs (R = 0.658) и между активностью 90Sr в ней и ПЗ 90Sr (R = 0.676). Установленные зависимости объясняют пониженные уровни концентрации 137Cs (7.5 кБк/кг) и 90Sr (1.4 кБк/кг) и их запасы (18.4 и 3.4 кБк/м2) в ЛП черноольшаника крапивного низким их содержанием в почве данного типа леса.
Выявлены средние по силе зависимости запасов 137Cs и 90Sr в ЛП черноольшаников от запасов самих подстилок и слабая связь запаса более подвижного в этих условиях 137Cs с их мощностью (табл. 5).
Так как на объектах исследований древостои ольхи черной однородны [35], то их влияние на накопление радионуклидов в ЛП разных типов леса несущественно. Поэтому корреляционные связи Ау и запасов 137Cs и 90Sr в ЛП с возрастом, средними высотой и диаметром, абсолютной и относительной полнотами, стволовым запасом высоковозрастных древостоев ольхи черной не выявлены.
Суммарное содержание 137Cs в ЛП черноольховых лесов белорусского сектора ЗО ЧАЭС на конец сентября–начало октября 2020 г. составляло 10.6 × 1012 Бк, 90Sr – 1.4 × 1012 Бк. Табл. 6 носит оценочный характер и имеет определенные погрешности, так как исследованиями были охвачены только наиболее распространенные типы черноольховых лесов, покрывающих 77.4% площади формации, а полученные на них данные были экстраполированы на остальные 7 типов леса. При расчетах активности радионуклидов в ЛП всей формации типы леса объединяли в группы по принципу сходства или близости эдафических условий, прежде всего гигротопа. Учитывая идентичность типа лесорастительных условий площадь черноольшаника таволгового была присоединена к черноольшанику папоротниковому. На основе общего индекса увлажнения черноольшаники болотно-папоротниковый (С5) и ивняковый (В5) включены в одну группу с осоковым типом леса (С5). Черноольшаник кисличный (Д2) по типу лесорастительных условий отличается от всех типов леса и имеет сходство с черноольшаником снытевым по трофотопу и наибольшую близость к нему по индексу увлажнения почвы. По этой причине, а также с учетом незначительной представленности в составе формации (3.9%), данный тип леса объединен с черноольшаником снытевым.
Таблица 6.
Оценочный запас 137Cs и 90Sr в лесной подстилке черноольшаников зоны отчуждения ЧАЭС, 109 Бк/%
Радионуклид | Черноольшаник | Всего по формации | |||
---|---|---|---|---|---|
снытевый и кисличный | крапивный | папоротниковый и таволговый | осоковый, болотно-папоротниковый и ивняковый | ||
137Cs | 1872.0/17.6 | 304.5/2.9 | 6449.5/60.9 | 1967.4/18.6 | 10593.4/100.0 |
90Sr | 379.4/27.6 | 56.3/4.1 | 723.3/52.7 | 214.3/15.6 | 1373.3/100.0 |
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В результате проведенных исследований установлены следующие характеристики ЛП в черноольховых лесах белорусского сектора ЗО ЧАЭС. Средняя толщина ЛП по формации составляет 3.7 ± 0.08 см, средний запас – 2.7 ± 0.08 кг/м2, средняя плотность сложения – 0.07 ± 0.001 г/см3. Эти показатели не имеют значимых различий по типам леса и варьируют в пределах 3.3–3.9 см, 2.4–2.8 кг/м2 и 0.06–0.08 г/см3 соответственно.
Средним величинам характеристик ЛП по типам леса и черноольховой формации в целом присущи средние или высокие коэффициенты вариации и высокая точность. Наибольшая вариабельность наблюдается в черноольшанике осоковом, что связано с выраженной дифференциацией влажности верхних слоев почв в насаждениях. Незначительные различия средних показателей характеристик ЛП между типами леса ольхи черной обусловлены климатическими факторами, которые способствовали выравниванию гидрологической обстановки в насаждениях этой породы, а, следовательно, и мощности, и запасов ЛП в них.
Радиологическая обстановка в черноольшаниках ЗО ЧАЭС характеризуется значительным колебанием мощности дозы γ-излучения и высокой мозаичностью ПЗ 137Cs и 90Sr. При этом ПЗ 90Sr почти на математический порядок меньше, чем ПЗ 137Cs.
Концентрации и запасам 137Cs и 90Sr в ЛП черноольшаников свойственны широкий размах колебаний и высокая вариабельность частных значений. Средние величины Ау137Cs в ЛП по типам леса, за исключением черноольшаника крапивного, близки между собой. Увеличение влажности почв сопровождается снижением средней величины Ау90Sr и ростом отношения средних Ау137Cs/Ау90Sr. Запасы обоих радионуклидов в ЛП по типам леса изменяются синхронно с их Ау и ПЗ и тесно коррелируют с ними, а также имеют среднюю корреляционную связь с массой ЛП. Запас 137Cs слабо связан с мощностью подстилок.
Суммарная активность 137Cs в ЛП всех насаждений ольхи черной в ЗО ЧАЭС составляет 10.6 × 1012 Бк и 90Sr – 1.4 × 1012 Бк.
Полученные данные могут быть включены в базы данных биологической продуктивности черноольховых лесов для зоны широколиственных лесов и использоваться в радиоэкологии.
Список литературы
35 лет после Чернобыльской катастрофы: итоги и перспективы преодоления ее последствий. Национальный доклад Республики Беларусь. Минск: ИВЦ Минфина, 2020. 152 с.
Аткина Л.И., Аткин А.С. Особенности накопления подстилок в лесных сообществах // Почвоведение. 2000. № 8. С. 1004–1008.
Аткина Л.И., Стародубцева Н.И. Запас и структура лесной подстилки в сосняках Джабык-Карагайского бора // Леса Урала и хозяйство в них. 2004. Вып. 24. С. 41–45.
Богатырев Л.Г., Демин В.В., Матышак Г.В., Сапожникова В.А. О некоторых теоретических аспектах исследования лесных подстилок // Лесоведение. 2004. № 4. С. 17–29.
Бойко А.В., Смольский Н.В., Сидорович Е.А., Евсиевич К.М., Лознухо И.В., Арабей Н.М., Кирковский К.К. и др. Экспериментальные исследования ландшафтов Припятского заповедника. Минск: Наука и техника, 1976. 304 с.
Бровка Ю.А., Буяков И.В. Изменение гидротермического коэффициента и повторяемости экстремальных условий увлажнения на территории Беларуси в период потепления климата // Природопользование. 2020. № 2. С. 5–18.
Вайчис М.В., Онюнас В.М. Типы лесных подстилок и их связь с почвами и лесами в Южной Прибалтике // Почвоведение. 1977. № 2. С. 93–100.
Василевская Л.С. Изменение количества и состава лесной подстилки по типам леса // Лесное хозяйство. 1958. Вып. 12. С. 106–113.
Гарбарук Д.К. Плодородие мелиорированных почв в черноольховых насаждениях Хойникского лесхоза // Проблемы лесоведения и лесоводства. 2006. Вып. 65. С. 17–35.
Гарбарук Д.К., Углянец А.В., Шумак С.В. Потенциальный вклад компонентов черноольховых насаждений заповедной зоны ПГРЭЗ в биомассу лесных горючих материалов и содержание в них 137Cs и 90Sr // Ботаника (исследования). 2021. Вып. 50. С. 123–139.
Демаков Ю.П., Исаев А.В., Шарафутдинов Р.Н. Роль лесной подстилки в борах Марийского Заволжья и вариабельность ее параметров // Научн. Тр. Гос. природного заповедника “Большая Кокшага”. 2017. Вып. 8. С. 15–43.
Ефремова Т.Т., Ефремов С.П., Аврова А.Ф. Строение и пространственно-временная изменчивость накопления подстилки в болотных березняках Западной Сибири // Вестник Томского гос. ун-та. Биология. 2009. № 2(6). С. 84–94.
Зонн С.В. Почвы как компонент лесного биогеоценоза // Основы лесной биогеоценологии. М.: Наука, 1964. С. 372–457.
Израэль Ю.А., Богдевич И.М. Атлас современных и прогнозных аспектов последствий аварии на Чернобыльской АЭС на пострадавших территориях России и Беларуси (АСПА Россия–Беларусь). М.: Фонд “Инфосфера”–НИА–Природа; Минск: Белкартография, 2009. 140 с.
Ипатьев В.А., Багинский В.Ф., Булавик И.М., Дворник А.М., Волчков В.Е., Гончаренко Г.Г., Поджаров В.К. и др. Лес. Человек. Чернобыль. Лесные экосистемы после аварии на Чернобыльской АЭС: состояние, прогноз, реакция населения, пути реабилитации. Гомель: Речицкая укрупненная типография, 1999. 454 с.
Ипатьев В.А., Булко Н.И., Митин Н.В., Шабалева М.А., Диденко Л.Г. Радиологический феномен лесных экосистем. Гомель: ИЛ НАН Беларуси, 2004. 310 с.
Карпачевский Л.О. Лес и лесные почвы. М.: Лесная промышленность, 1981. 264 с.
Ковда В.А. Основы учения о почвах. Общая теория почвообразовательного процесса. М.: Наука, 1973. Кн. 1. 448 с.
Ковязин В.Ф., Мартынов А.Н., Мельников Е.С., Аникин А.С., Минаев В.Н., Беляева Н.В. Основы лесного хозяйства и таксация леса. СПб.: Лань, 2010. 384 с.
Краснов В.П., Орлов О.О., Бузун В.О., Ландiн В.П., Шелест З.М. Прикладна радiоекологiя лiсу. Житомир: Полiсся, 2007. 680 с.
Кузьменков М.В., Кулагин А.П., Таркан А.В., Бузуновский Р.С. Таксационно-лесоустроительный справочник. Минск: Редакция журнала “Лесное и охотничье хозяйство”, 2019. 335 с.
Куликов Я.К. Почвенные ресурсы. Минск: Вышэйшая школа, 2013. 319 с.
Лапа В.В., Цыбулько Н.Н., Цырибко А.М., Устинова А.М., Червань А.Н., Логачев И.А., Кудин М.В., Антипенко О.Н. Почвы Полесского государственного радиационно-экологического заповедника. Минск: ИВЦ Минфина, 2019. 97 с.
Марченко Ю.Д. Погодно-климатические условия в ближней зоне Чернобыльской АЭС // Экосистемы и радиация: аспекты существования и развития. Минск, 2013. С. 32–45.
Матусов Г.Д., Воронецкая А.Н., Китиков В.И. Распределение радионуклидов в лесных биогеоценозах // Экосистемы и радиация: аспекты существования и развития. Минск, 2013. С. 211–221.
Мелехов И.С. Лесоведение. М., 2007. 372 с.
Мирошников В.С., Трулль О.А., Ермаков В.Е., Дольский Л.В., Костенко А.Г. Справочник таксатора. Минск: Ураджай, 1980. 360 с.
Наумов В.Д., Поветкина Н.Л., Лебедев А.В., Гемонов А.В. Оценка гумусового состояния дерново-подзолистых почв Лесной опытной дачи РГАУ-МСХА имени К.А. Тимирязева // Известия ТСХА. 2019. № 4. С. 5–18.
Переволоцкий А.Н. Распределение 137Cs и 90Sr в лесных биогеоценозах. Гомель: Ин-т радиологии, 2006. 255 с.
Рабочая группа IUSS WRВ. 2015 Мировая реферативная база почвенных ресурсов 2014, исправленная и дополненная версия 2015. Международная система почвенной классификации для диагностики почв и создания легенд почвенных карт. Доклады о мировых почвенных ресурсах. № 106. ФАО, Рим.
Семенюк О.В., Телеснина В.М., Богатырев Л.Г., Бенедиктова А.И., Кузнецова Я.Д. Оценка внутрибиогеоценозной изменчивости лесных подстилок и травяно-кустарничковой растительности в еловых насаждениях // Почвоведение. 2020. № 1. С. 31–43.
Соколовский И.В., Юреня А.В. Атлас морфологических признаков лесных почв Беларуси. Минск: Редакция журнала “Лесное и охотничье хозяйство”, 2012. 135 с.
Соловьев В.А. Популяция и биоценоз. Л.: ЛТА, 1985. 92 с.
Соломатова Е.А. Строение, состав и пространственная вариабельность лесных подстилок Восточной Фенноскандии. Автореф. дис. … канд. биол. наук. Петрозаводск, 2004. 28 с.
Углянец А.В., Гарбарук Д.К., Шумак С.В. Продуктивность высоковозрастных насаждений ольхи черной в заповедной зоне Полесского государственного радиационно-экологического заповедника // Проблемы лесоведения и лесоводства. 2021. Вып. 81. С. 83–90.
Уиттекер Р. Сообщества и экосистемы. М.: Прогресс, 1980. 328 с.
Щеглов А.И. Биогеохимия техногенных радионуклидов в лесных экосистемах: по материалам 10-летних исследований в зоне влияния аварии на ЧАЭС. М.: Наука, 2000. 268 с.
Юркевич И.Д. Выделение типов леса при лесоустроительных работах. Минск: Наука и техника, 1980. 120 с.
Юркевич И.Д., Гельтман В.С., Ловчий Н.Ф. Типы и ассоциации черноольховых лесов (по исследованиям в БССР). Минск: Наука и техника, 1968. 376 с.
Юркевич И.Д., Гельтман В.С., Ловчий Н.Ф., Ярошевич Э.П., Тютюнов А.З. Березовые леса Беларуси: Типы, ассоциации, сезонное развитие и продуктивность. Минск: Навука i тэхнiка, 1992. 183 с.
Дополнительные материалы отсутствуют.
Инструменты
Почвоведение