7.2 Лесные экоистемы

Лесные экосистемы представляют значительный интерес как наиболее сложные и наименее радиорезистентные.

В состав лесной экосистемы входят растительные и животные организмы, которые объединены многообразными связями между отдельными организмами и популяциями растений и животных. Все организмы и популяции взаимодействуют с биотопом. Поэтому общая схема переноса радиоактивного загрязнителя в лесной экосистеме выглядит как "традиционная" трофическая цепь : биотоп - автотрофы - консументы всех уровней - сапрофаги (деструкторы) – биотоп. Кроме того, в экосистеме действуют различные климатические и антропогенные факторы (ветер, дождь, хозяйственная деятельность людей, которая может приводить к аэральному загрязнению радионуклидами). Основную роль в переносе радиоактивного загрязнителя в лесу, расположенном вблизи АЭС, определяеют жизнедеятельность его фитосоставляющей и внешние природные факторы (59).

В общем случае растительность в лесной экосистеме представлена взрослыми деревьями, деревьями в подросте, подлеском и малыми формами растительности, среди которых могут быть кустарничковые, однолетние и многолетние травы, а также мхи и лишайники. Кроме того, леса значительно различаются по степени сомкнутости крон. Древесная растительность характеризуется более высокой задерживающей способностью в отношении радиоактивных выпадений по сравнению с травянистой. В среднем коэффициент задерживания древесным ярусом можно принять равным степени сомкнутости крон. Исключение составляют лиственные лес в период, когда деревья лишены листьев. Задерживающая способность древесного яруса в этом случае оказывается примерно в 3 раза ниже.

В ближней части зоны радиоактивного загрязнения заметно выражен так называемый "опушечный" эффект. Он проявляется в повышенном осаж­дении радионуклидов в кронах деревьев на опушках, с наветренной сторо­ны по отношению к источнику радиоактивного выброса. Соответственно, лесные опушки, расположенные с подветренной стороны, экранируют от радиоактивных выпадений прилегающие к ним безлесные участки. Опу­шечный эффект прослеживался на расстояниях 20—50 м от кромки леса (109).

На больших расстояниях от источника, где выпаде­ния представлены мелкодисперсными частицами, поступающими на по­верхность земли в основном в результате турбулентной диффузии, опушечный эффект не проявляется.

Общее количество радиоактивного загрязнителя, задержанное лесным массивом, определяется коэффициентом задержания радиоактивного загрязнителя и зависит от типа и возраста насаждений, сезонных и метеорологических условий, физико-химической формы и дисперсности радиоактивных веществ, которые оседают из атмосферы.

Задерживающая способность каждого из элементов лесного биогеоценоза определяется его площадью его поверхности и ее особенностями. Так, задерживающая способность крон деревьев – это удвоенная сумма поверхности всех листьев, плюс поверхность сучков и сучьев. Эта сумма должна быть умножена на некоторый коэффициент, учитывающий особенности листовой поверхности такие, как ворсистость, клейкость и др (табл.2).

Радиоактивные выпадения попадают в лесную экосистему в виде сухих (оседание радиоактивных частиц под действием гравитации) и мокрых выпадений (с осадками). Их распределение внутри растительного компонента экосистемы зависит от развитости верхнего яруса, который экранируют полностью или частично нижние ярусы леса.

Таблица 2 

Коэффициенты задержания радиоактивных веществ лесами (135)

Сразу после выпадения радиоактивных веществ начинается вертикальная и горизонтальная их миграция под действием природных факторов. В этом процессе на первом этапе важными является метеорологические факторы - атмосферные осадки и ветер. Атмосферные осадки, промывая кроны деревьев, перемещают радионуклиды из верхних частей кроны в нижние, а затем и под полог леса. Ветер, выдувая тонкодисперсную фракцию радиоактивных веществ, переносит ее с крон одних деревьев на другие, частично - под полог леса и на прилегающую к лесу территорию.

При перемещении радиоактивных веществ под полог леса важную роль также играют процессы биологической миграции - опадение листьев, хвои, коры, плодов и других загрязненных элементов дерева. В специальных экспериментах с опрыскиванием древесных растений радиоактивными растворами стронция было установлено, что скорость вертикальной миграции связана с интенсивностью ростовых процессов, Весной, в период активного роста, этот процесс ускоряется; в фазе физиологического покоя (осенью и зимой) он резко замедляется. Это свидетельству­ет о том, что радионуклиды мигрируют под полог леса в составе листовых восковых чешуек и покровной че­шуи и чехликов почек и коры. Поэтому, чем активнее ростовые процессы, тем выше темпы дезактивации крон. (109).

В лиственных лесах важную роль играет листопад, который переносит свыше 50% активности, задержанной кронами, на поверхность лесной подстилки с листовым спадом. Также на почву поступает загрязнитель при отмирании надземной части травы, кустарничков, мхов и лишайников. Медленнее проходит миграция радионуклидов в хвойных лесах, поскольку продолжительность жизни хвои три-четыре, иногда до семи лет.

Поступившие радионуклиды включаются в физико-химические, биохимические и биологические процессы, которые определяют миграцию, изменение физико-химических форм и агрегатных состояний радионуклидов, накопление их в элементах экосистемы.

В результате физической и биологической миграции в лиственных лесах через год после разовых выпадений смеси продуктов деления доля их в кроне от общего количества в лесу снижается в несколько раз, очевидно при этом увеличивается загрязнение лесной подстилки и грунта.

В хвойных насаждениях самоочищения крон проходит в 3-4 раза медленнее и составляет три-четыре года, а иногда и больше. По истечении этого более опасного периода, радиоактивные вещества, которые выпали на лес, перемещаются на лесную подстилку и почву, где прочно фиксируются.

Лесная подстилка, после выпадения радиоактивных веществ, становится мощным аккумулятором радионуклидов в лесном биогеоценозе. После глобальных радиоактивных выпадений концентрация важных продуктов деления в подстилках леса больше в 10-1000 раз, чем в других фракциях лесной растительности. В лесной подстилке может сосредоточиваться до 50-80% радионуклидов, которые выпадают из атмосферы, от общего количества радиоактивных веществ.

Процессы разложения опада, отмерших частей древесной растительности и растительности малых форм, воздействие осадков, талых вод, с участием педобионтов и других процессов, переносят загрязнитель в почвенные горизонты. Радионуклиды становятся доступными для корневых систем растений, начинается процесс корневого поступления радионуклидов в надземную часть растительности лесного участка. Некоторая доля радиоактивного загрязнителя из корнеобитаемого почвенного слоя переносится в более глубокие горизонты, здесь она недоступна корням растений и захоранивается навечно. Хотя корневой путь поступления радионуклидов в растительность менее значим, чем аэрозольный, в общем случае его нельзя не рассматривать. Идет также процесс самоочищения почвы, вследствие чего часть загрязнителя перестает быть доступной растениям.

Зимой нижние ярусы лесной экосистемы (кустарничково-травяной, подлесок, открытые участки почвы, участки почвы, покрытые спадом) находятся под снегом, поэтому хронически поступающий в лесную экосистему загрязнитель распределяется по поверхностям крон и стволов взрослых деревьев, подроста и снежного покрова. В зимнее время загрязнитель переносится из крон взрослых деревьев и подроста на снежный покров в результате их встряхивания ветром. На снегу загрязнитель остается до весны. Радиоактивный загрязнитель из снежного покрова переходит на участки почвы (прогалины, покрытые спадом в тени и полутени, на участки, покрытые кустарничково-травяной растительностью, мхами и лишайниками, прогалины) и распределяется между ними равномерно (109).

Для оценки относительной радиочувствительности различных компонентов в лесной экосистеме многими исследовательскими группами в разных частях мира проводились эксперименты с моделированием различных условий облучения. Например, источник гамма-излучения, помещенный в дубово-сосновом лесу в Брукхейвене, «работал» по 20 часов в сутки, а в течение остальных 4 ч производились наблюдения и брались пробы (на это время источник опускали в заэкранированый шурф). Градиент хронического облучения изменялся от 10 Гр в 10 м от источника до не улавливаемого приборами превышения над фоном — в 140 м.

Самыми устойчивыми оказались осоки, несколько менее устойчивыми — некоторые верески и злаки. Сосны значительно более чувствительны, чем дубы (у клеток сосен ядра более крупные, и они не дают новых побегов, если погибли терминальные почки). Замедление роста растений и уменьшение видового разнообразия животных отмечались даже при таких низких уровнях, как 2—5 рад в сутки. Хотя дубовый лес и продолжал существовать при достаточно высоком уровне облучения (10—40 рад в сутки), деревья были угнетены, а на некоторых участках стали восприимчивы к насекомым. В общем вдоль градиента облучения можно выделить 5 зон: 1) центральная зона (до 15 м), в которой ни одно из высших растений не выживает; 2) зона осоки (15-25 м); 3) зона черники и паслена (25 -35 м); 4) угнетенный дубовый лес (35-50 м) и 5) интактный дубово-сосновый лес (50- 115 м), в котором заметно некоторое угнетение роста, но нет погибших растений (134).

Таким образом, наибольшей радиочувствительностью в лесном биогеоценозе характеризуется ярус древесной растительности. Хвойные леса приблизительно в 5—10 раз чувствительные чем лиственные породы. Характерной ответной реакцией у лиственных древесных пород на облучение является сдвиг фенофаз—более позднее распускание листьев весной и более ранний листопад осенью (48,6). При выпадениях радионуклидов в весенне-летний период различия в устойчивости хвойных и лиственных лесов определяются в основном видовыми различиями, а в условиях осенних выпадений различия в радиоустойчивости между хвойными и листвен­ными породами оказались примерно 20-кратными. Это связано с уменьшением задерживающей способности крон лиственных деревьев, а, следовательно, и дозы облучения при радиоактивных выпадениях после листопада.

Наиболее чувствительны к ионизирующему излучению апикальные точки роста, более устойчивыми оказались камбиальные слои древесины, отмирание которых зафиксировано при дозе радиации в пределах 100–200 Гр [46, 57]. Повреждение лиственных деревьев и кустарников выражалось в усыхании вершин. Ионизирующее излучение признается одним из значимых факторов роста деревьев. Еще во второй половине ХХ в. в лабораторных условиях зафиксировано влияние радиации на структуру годичных колец древесины [70].

Другие компоненты лесных экосистем (кустарники, травяной ярус, многие представители животного населения, обитающего в надземной части леса, подстилке и почве, особенно беспозвоночные животные) в целом значительно более радиорезистентны. Однако, при этом многие из радиорезистентных организмов могут накапливать значительные дозы радионуклидов, что может представлять определенную опасность. Например, коэффициенты накопления у грибов значительно больше, чем у высших растений, что связано с их биологическими особенностями. Основным минеральным элементом в составе золы грибов является калий — аналог цезия-137. Следовательно, грибы хорошо поглощают цезий-137 и по накопительной способности значительно превосходят другие компоненты леса. Содержание цезия-137 в грибах в 20 раз и более выше, чем в почве, и в тысячи раз превышает содержание цезия-137 в древесине. По отношению к стронцию-90 грибы обладают низкой накопительной способностью: интенсивность перехода стронция-90 из почвы в грибы в 90-400 раз ниже, чем цезия-137 (рис. 20).

Рисунок 20. Грибы активно накапливают искусственные радионуклиды (136).

При хроническом облучении вегетирующих растений они выдерживают дозовые нагрузки, на порядок более высокие, чем при остром облучении.