полный текст. История открытия радиоактивности Предмет и задачи радиоэкологии
 Скачать 11.76 Mb.
|
|
7 РАДИАЦИОННОЕ ПОРАЖЕНИЕ ЕСТЕСТВЕННЫХ И ИСКУССТВЕННЫХ БИОГЕОЦЕНОЗОВ ОСНОВНЫХ ТИПОВ Последствия воздействия ионизирующего излучения на биогеоценотическом уровне зависят от структурной организации биогеоценозов, радиочувствительности их основных компонентов и влияния сложного комплекса экологических факторов, определяющих действие внешней среды на первичные и вторичные радиационные эффекты. 7.1 Естественные и культурные травяные экосистемы Луговые экосистемы и агроландшафты значительно более устойчивы по сравнению с лесами к химическим и радиационным воздействиям. К критическим их относят тогда, когда из-за аккумуляции загрязнителей в зеленой массе, корнеплодах загрязнители поступают с пищей к человеку, причем в количествах, опасных для здоровья. Ранние признаки радиационного повреждения в естественных луговых фитоценозах отмечаются при поглощенной дозе 3—10 Гр в условиях острого облучения (8—30 сут), а сильное повреждение происходит при дозе свыше 40—100 Гр. Так, заметное уменьшение фитомассы клевера и многолетнего райграса происходят после облучения луговых сообществ сеяных трав в дозе 8—16 Гр. Типичные реакции травяного фитоценоза на облучение в достаточно высокой дозе — снижение видового разнообразия и изменение доминантности видов, уменьшение продуктивности растении и изменение структуры сообщества (6, 21). Радиобиологи ческие реакции различных видов травянистых растений на радиоактивное загрязнение варьируют в широком диапазоне в зависимости от видовой радиочувствительности, от способности растений к вегетативному раз множению и от того, как размещены почки возобновления относительно поверхности почвы как источника облучения. В сообществах травяных растений можно выделить три группы ответных реакций на облучение:
При дозовых нагрузках на находившиеся на по верхности почвы семена растений свыше 200 Гр их всхожесть у многих видов была утрачена. Их место за нимали растения с почками возобновления, погруженными в почву. Этот процесс продолжался в течение 3—4 лет. В последующий период наблю дался медленный обратный процесс, процесс восстановления видового состава травянистых растений. Подобные изменения видового состава происходили в сообществах не только луговых, но и лесных травя нистых растений. Однако, если в луговых сообществах изменения видового состава были обусловлены только облучением, т.е. радиационными эф фектами (первичные эффекты), то в лесных фитоценозах важную роль играли и опосредованные (вторичные) эффекты: в лесах, где кроны де ревьев были сильно повреждены под действием облучения, произошли серьезные изменения микроклиматических условий под пологом леса. Из мененный микроклимат в сочетании с облучением вызвал изме нения не только видового состава, но и первичной продуктивности. В насаждениях, где сосна погибла, а береза была повреждена, надземная фитомасса травя ного покрова увеличилась в 3—5 раз по сравнению с фитомассой в одно типных незагрязненных лесах (6). Доминирующими становятся светолюбивые виды-пионеры с мощной корневой системой, значительная часть которой размещается в незагрязненных слоях почвы (вейник наземный, бодяк мягкощетинистый и Иван-Чай). Эти виды характеризуются короткой продолжительностью жизни (2 года) и размножаются в основном семенами, способными переноситься ветром на большие расстояния, в том числе заноситься с незагрязненных территорий (28, 51). Процессы лучевого поражения и пострадиационного восстановления в искусственных травяных биогеоценозах (посевах сельскохозяйственных растений) характеризуются некоторыми специфическими особенностями по сравнению с аналогичными процессами в природных биогеоценозах. Искусственные фитоценозы — агрокультурценозы—часто представлены одним (иногда несколькими) видами растений. В этом случае взаимосвязь между отдельными видами растений упрощена (а если фитоценоз составляет монокультура—вообще отсутствует), и зависимость лучевого поражения такого ценоза от первичной радиочувствительности растений и фазы их развития выявляется достаточно четко. Посевы сельскохозяйственных растений в целом менее устойчивы к действию всех поражающих факторов антропогенной природы, в том числе и к радиационному, чем фитоценозы естественной травяной растительности. Полулетальные дозы для большого числа сельскохозяйственных растений в условиях острого облучения варьируют в интервале 1—20 Гр. По увеличению летальной дозы сельскохозяйственные культуры располагаются в ряд: зерновые (пшеница, ячмень, овес, кукуруза, рис) —1-4 Гр; бобовые (горох и фасоль) —1-12 Гр; клубне- и корнеплоды (лук, свекла, картофель, редис) —1-16 Гр; пастбищные и силосные культуры—2-20 Гр (6, 89, 109). Облучение агрокультурфитоценозов в меньших дозах не приводит к заметному снижению темпов роста вегетативных и развития генеративных органов сельскохозяйственных растений и уменьшению урожая в сообществах, но может снизить качество репродуктивных органов: семена могут иметь пониженную всхожесть, а выросшие из них растения отличаться ослабленной жизнеспособностью. 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 осаж дении радионуклидов в кронах деревьев на опушках, с наветренной сторо ны по отношению к источнику радиоактивного выброса. Соответственно, лесные опушки, расположенные с подветренной стороны, экранируют от радиоактивных выпадений прилегающие к ним безлесные участки. Опу шечный эффект прослеживался на расстояниях 20—50 м от кромки леса (109). На больших расстояниях от источника, где выпаде ния представлены мелкодисперсными частицами, поступающими на по верхность 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 свидетельству ет о том, что радионуклиды мигрируют под полог леса в составе листовых восковых чешуек и покровной че шуи 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 листвен ными 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. 7.3 Чернобыльский лес В районе Чернобыльской АЭС преобладающей лесообразующей породой является сосна обыкновенная, образующая в основном чистые древостои. В результате аварии на ЧАЭС наибольшая радиационная нагрузка на сосну пришлась на период активных весенних ростовых процессов, когда ее радиоустойчивость снижается в 1,7 – 3 раза по сравнению с периодом покоя. Все это обусловило довольно высокую степень радиационного поражения лесов в районе аварии на ЧАЭС Результаты радиационного поражения соснового леса оказались в прямой зависимости от полученных дозовых нагрузок. По характеру радиационного поражения учеными было выделено четыре зоны: |