Введение к работе
Актуальность. Интенсивное антропогенное воздействие на педосферу "обуславливает системную неупорядоченность и нестабильность почв", их постоянно возрастающие отличия от природных аналогов (Шишов, Дурманов, Карманов, 1989). Решение проблемы экологически обоснованного использования почвенного покрова юго-запада России значительно усложнилось тем, что здесь большие площади с 1986 года загрязнены радионуклидами вследствие разрушения энергоблока Чернобыльской АЭС (ЧАЭС), которое по Международной шкале оценки тяжести событий на атомных электростанциях отнесено к глобальной аварии. Академик P.M. Алексахин (1991) среди проблем, требующих решения в зоне загрязнения, назвал изучение биогеохимии цезия и стронция, в натурных условиях различных естественных и агроэкосистем. Президиум Россельхозакадемии (16.12.91 г.) выделил в составе приоритетных направлений исследований по сельхозра-диологии анализ радиоэкологического состояния агросферы, изучение миграции основных радионуклидов и оценку биологического действия малых доз радиации на живые организмы. Поэтому исследование экосистем-ных аспектов взаимовлияния почв и радиоактивности актуально.
Цель исследования- изучить влияние почв естественных и различных агроэкосистем полесья и ополья на поведение радионуклидов, а также воздействие антропогенных факторов на живую фазу почв для характеристики условий жизнедеятельности человека, рационального природопользования и научного обоснования адаптивно-ландшафтных систем земледелия в регионе экологического бедствия.
Задачи исследования:
разработать стратегию и тактику агрорадйоэкологического мониторинга почв и приступить к его проведению;
предложить классификацию воздействий на почвенный покров;
установить особенности факторов почвообразования, строения, состава и свойств почв в естественных и агроэкосистемах полесья и ополья, загрязненных выбросами ЧАЭС; /
всесторонне охарактеризовать радиоактивность почв различных экосистем юго-запада России;
- вскрыть биогеохимические закономерности поведения цезия-137,
цезия-134, стронция-90 в этих почвах,
- исследовать состояние почвенной биоты и особенности ее функциониро
вания в экосистемах, загрязненных радионуклидами.
Научная новизна. Впервые в натурных условиях проведено комплексное глубокое изучение взаимовлияния почв и радиоактивности в различных экосистемах юго-запада России. На материалах многолетних наблюдений и
з исследований сопряженно и полно рассмотрены строение, состав и .. свойства почв естественных и агроэкосистем полесья и ополья, загрязненных радионуклидами. Охарактеризована радиоактивность профилей этих почв и вскрыты биогеохимические закономерности поведения радионуклидов и других поллютантов. Показаны особенности формирования ланд-- шафтных и педохимических барьеров. Изучено состояние биоты и некоторые особенности ее функционирования в почвах экосистем, загрязненных , выбросами ЧАЭС и дана им экологическая оценка.
Разработана стратегия и тактика комплексного агрорадиоэкологиче-ского мониторинга почв; создана сеть стационарных ключевых почвенных участков в наиболее пострадавшем регионе России, включающих площадки с задокументированными с 1938 года антропогенными воздействиями; проводится мониторинг.
Предложена классификация антропогенных воздействий на почвенный покров и дана характеристика особенностей факторов почвообразования в полесье и ополье.
Защищаемые положения:
особенности почв в экосистемах юго-запада России и их влияние на поведение радионуклидов, пестицидов и галогенов;
агрорадиоэкологические аспекты антропогенных воздействий на живую фазу почв, загрязнённых выбросами ЧАЭС.
Практическая значимость диссертации. В зоне экологического бедствия создана сеть стационарных участков мониторинга почвенного покрова. С 1983 года изучали особенности факторов почвообразования, строения, состава и свойств почв в агроэкосистемах различных типов и интенсивности, а также закономерности поведения основных радионуклидов, пестицидов и галогенов в этих почвах и комплексное влияние различных антропогенных воздействий на почвенные организмы. Исследования проводили по программе "Разработать научные основы формирования агроландшаф-тов и создать качественно новые зональные системы земледелия для основных природносельскохозяйственных зон России" и заданию 01.4.4. "Разработать научные основы экологической оценки закономерности миг-. рации и аккумуляции радионуклидов в почвах, подвергшихся радиоактивному загрязнению".
Материалы и результаты исследований, изложенные в диссертации, применимьГ в полесьях и опольях Русской равнины. Они используются Брянским центром "Агрохимрадиология" при разработке программы мониторинга и его проведении на сельскохозяйственных угодьях Брянской области. Исследования легли в основу создания аграрно-экологической информационно-управляющей подсистемы для сопровождения программы работ по ликвидации последствий аварии на ЧАЭС (Журавель, Просяний-
ков, Зенинидр., 1992; Просянников, Зенин, 1992) и разработки прогнозных моделей поведения радионуклидов в ландшафтах. По заданию 9.1.4 научно-технической программы Министерства охраны окружающей среды и природных ресуров Российской Федерации 'Экологическая безопасность России" результаты исследований использованы для разработки рекомендаций по оценке пределов воздействия, обеспечивающих экологическую безопасность агроэкосистем с учетом зонально-региональных особенностей. Они также использованы при разработке проекта "Рекомендации по ведению сельского хозяйства на территориях Российской Федерации, подвергшихся радиоактивному загрязнению".
Материалы работы реализованы в четырех отчетах по договорам со Всероссийским научно-исследовательским институтом сельскохозяйственной радиологии и агроэкологии (г. Обнинск) и Всероссийским институтом удобрений и агропочвоведения (г. Москва) за 1991, 1992 гг., в трех отчетах по договорам с Министерством-сельского хозяйства и продовольствия Российской Федерации за 1992-1994 гг., в отчете по договору с Брянским областным управлением сельского хозяйства за 1993 г.
Результаты исследований и научные выводы диссертации включены в лекционные курсы по почвоведению, сельхозрадиологии и агрохимии Брянской государственной сельскохозяйственной академии. Они применены в учебном пособии "Почвы, удобрения и их эффективное использование в земледелии Брянской области" (Просянников и др., 1989), опубликованы в лекции " Пути повышения эффективного плодородия почв Брянской области в условиях интенсивного земледелия" (Просянников, 1990), использованы в учебном пособии по экологии (находится в печати) согласно договору N 16 от 15.04.94 г. с Брянским областным комитетом по экологии и природопользованию.
Апробация работы. Материалы, вошедшие в диссертацию, доложены на VIII Всесоюзном съезде почвоведов (Новосибирск, 1989); II Форуме почвоведов России ("Почвенно-экологические проблемы оптимизации агроэкосистем" - Пущино, 1993); II Международном симпозиуме "Малые дозы радиации и здоровье человека" (Брянск, 1992); Международных семинарах "Проблемы смягчения последствий Чернобыльской катастрофы" (Брянск, 1993) и "Агроэкологические аспекты использования калийных удобрений в земледелии региона, загрязненного выбросами Чернобыльской АЭС" (Брянск, 1993); Международной и Всесоюзных конференциях в городах Воронеже (1994 г.), Полтаве (1983 г.), Москве (1987 г.), Целинограде (1991 г.); Всесоюзном совещании участников Географической сети опытов с удобрениями (Горький, 1984); III научной конференции Российского общества почвоведов (Барнаул, 1992); Обнинском симпозиуме XV Менделеевского съезда по общей и прикладной химии (Обнинск, 1993); Радиобиологи-
ческом съезде (Киев, 1993); 3-ем научно-техническом совещании-конференции по основным результатам ликвидации последствий аварии на Чернобыльской АЭС (Чернобыль, 1992); 4-ой научной конференции почвоведов Волго-Вятского экономического района (Горький, 1987); Экологической конференции по проблемам альтернативного земледелия в России (Москва, 1991); научно - производственных конференциях в Брянске (1982-1984 гг.; 1988-1990 гг.; 1994) и Сумах (1985 г.); совещании заведующих кафедрами агрохимии и почвоведения сельскохозяйственных вузов (С- Петербург, 1993); Межвузовской научно-методической конференции (Ярославль, 1994, 1995).
Публикации. Материалы диссертации опубликованы в 39 печатных работах, из общего их количества у соискателя 65,' в том числе 3 - отдельными изданиями, и отражены в 11 отчетах о научно-исследовательской работе общим объемом 712 машинописных страниц.
Объем и структура, диссертации. Диссертация состоит из 6 глав, 25 разделов, заключения, выводов и пракических рекомендаций. Она изложена на 464 машинописных страницах, включая 253 страницы текста, 107 таблиц, 75 рисунков, список отечественной и зарубежной литературы из 441 наименования на 34 страницах.
Объекты и методы исследований. Исследования проводили в Южнотаежной подзоне дерново-подзолистых почв (Брянское полесье) и в Лиственно-лесной зоне серых лесных почв (Стародубское ополье). Начиная с В.В. Докучаева уникальность этих ландшафтов привлекала внимание ученых различных специальностей (Адамович В.Л., Антыков А.Я., Бастраков Г.В., Волоґжанина Т.В., Воробьев Г.Т., Добровольский Г.В., Жучкова В.К., Тюрюканов А.Н., и др.).
Методологической основой исследований являются концепция экологического мониторинга, разработанная В. А. Ковдой с соавторами, системный и катенньш подходы ( Milne, 1936; Глазовская, 1964, 1969, 1972, 1973; Фридланд, 1972,1984; Joung, 1972; Романова, 1974; Демек, 1977; Системный анализ ..., 1978; Джеррард, 1984; Системный подход ..., 1985; Грин и др., 1988; Воронин и др., 1989; Урусевская, 1990), учение о почвообразовательных процессах (Сибирцев, 1900; Неуструев, 1916, 1928; Захаров, 1927; Роде, 1937, 1971; Герасимов, Глазовская, 1960; Дюшофур, 1970; Герасимов, 1973; Таргульян, 1975; Таргульян и др., 1989; Козловский, 1991; Элементарные почвообразовательные ..., 1992), сравнительно-генетический метод (Роде, 1971) и метод почвенных ключей (Почвоведение ..., 1988), научные положения геохимии ландшафта (Перельман, 1975) и сельскохозяйственной радиоэкологии (Клечковский, 1956; Тулякин, Юдинцева, 1962, 1973; Алексахин, 1963, 1982; Бак и др., 1963; Юдинцева, Гулякин, 1968; Поляков, 1970; Молчанова и др., 1972; Марей и др., 1974; Павлоцкая, 1974; Тюрюканова, 1974,
1982; Калишйна, 1975; Назарова, 1975; Алексахин и др., 1977, 1985, 1988; Белова.и др., 1978; Francis, 1978; Прохоров, 1981; Перепелятникова, 1985; Тихомиров, 1985; Тихомиров и др., 1987; Основы сельскохозяйственной ..., 1988; Харуэлл и др., 1988; Бобовникова и др., 1990; Москалев, 1991; Сельскохозяйственная радиоэкология ..., 1992; Алексахин, Санжарова, Фесенко, 1994; Санжарова, Фесенко, 199*4).
Системы объектов исследований представлены на рис. 1-3. Они охватывают основные структуры почвенного покрова и экосистемы региона. Мониторинговые ключевые почвенные участки (КПУ) закладывали после тщательного изучения природно-антропогенных условий по архивным и литературным источникам, с учетом рекогносцировочного полевого поч-венно-радиологического обследования.
Каждый КПУ состоит из 1-3 опорных почвенных площадок (ОПП). Они в соответствии с Международной программой комплексного мониторинга имеют площадь по 25-30 м2, расположены в непосредственной близости на одном и том же элементе рельефа и различаются по степени агрогенного воздействия: 1) естественная экосистема, 2) обычная агроэкосистема, 3) интенсивная агроэкосистема.
В качестве моделей естественных экосистем использовали целинные или многолетние (30-60 лег) залежные площадки.
Агроэкосистемы отличаются от естественных экосистем как сменой сообществ организмов, так и воздействием на почву сельскохозяйственных машин, орудий, вовлечением в биологический круговорот веществ больших масс химических элементов и соединений, ранее не свойственных данной территории. В почвы агроэкосистем с агрохимикатами (минеральные удобрения, гербициды, пестициды) поступает больше поллютантов, накапливается больше их метаболитов.
Интенсивные агроэкосистемы на всех КПУ отличаются от обычных активным применением всех агрохимикатов, высокой технологической дисциплиной и большей урожайностью выращиваемых культур, то есть возросшим биологическим круговоротом веществ. В почвы интенсивных агроэкосистем с агрохимикатами попадает больше различных поллютантов, накапливается больше их метаболитов.
На каждой площадке КПУ измеряли мощность экспозиционной дозы гамма-излучения на поверхности почвы дозиметром СРП-68-01, закладывали полнопрофильный разрез и несколько прикопок. В них проводили подробный макро- и мезоморфологический анализ почв, отбирали микромонолиты для микроморфологического анализа и образцы с ненарушенным сложением в 6-кратной повторносте для определения плотности почвы. Смешанные образцы почвы для лабораторных исследований отбирали в 3-4 местах со стенок разреза во всей толще верхнего и посредине осталь-
Катека (открытая) "Старый Вышков", с. Старый Вышков
Новозыбковского района Брянской области.
Плотность загрязнения Cs-137 80-92 Ки/кв. км
Естественная экосистема
Агроэкосистема
Элювиальный ландшафт (вершина холма). Колодезский КПУ N 1
Почва дерново-подзолистая псевдофибровая старопахотная залежная на глубоких флювио-гаяциальных отложениях, подстилаемых мореной
Почва окультуренная дерново-подзолистая псевдофибровая глубокопахотная на глубоких флювиогляциальных отложениях, подстилаемых мореной
Трансэлювиальный ландшафт (верхняя часть склона). Колодезский КПУ N 2
Почва дерново-подзолистая целинная слабодифференцирован-ная слабодерновая мелкоподзолистая на флювиогляциальном песке, подстилаемом мореной в пределах 1 м
Почва окультуренная дерново-подзолистая глубокопахотная песчаная на флювиогляциальном песке, подстилаемом мореной в пределах 1 м
Трансэлювиальный ландшафт (нижняя часть склона). Колодезский КПУ N 3
Рис. 1. Система 1 объектов исследований в полесье Южнотаежной подзоны дерново-подзолистых почв
Рис. 1. Окончание
ных генетических горизонтов. На КПУ, значительно загрязненных радионуклидами, отбор образцов из пахотного горизонта проводили послойно через 5 см, а из верхнего генетического горизонта почв естественных экоси-стем-через 1,5 см.
Клинцовский КПУ,
с. Ущерпье
Клинцовского района
Брянской области.
Плотность загрязнения
Cs-137
15-40 Ки/кв. км
Новозыбковский КПУ,
с. Новое Место
Новозыбковского
района Брянской
области. Плотность
загрязнения Cs-137
15-40 Ки/кв.км
Топиловский КПУ, с. Старый Вышков Новозыбковского района Брянской
области. Плотность
загрязнения Cs-137
84 Ки/кв.км
Почва среднедерново-
глубокоподзолистая на
флювиогляциальных
отложениях
Естественная экосистема
Обычная полевая агроэкосистема
Интенсивная
"полевая
агроэкосистема
Почва болотная
верховая перегнойно-
торфяная
Естественная экосистема
Рис. 2. Система 2 объектов исследований в полесье Южнотаежной подзоны дерново-подзолистых почв
В Почвенном институте им. В.В. Докучаева образцы анализировали по принятым методикам. В специализированных лабораториях Брянского СХИ определяли активность галогенов потенциометрически в почвенных пастах, остаточное количество фосфорорганических, хлорорганических и сим-триазиновых пестицидов хроматографически.
Программа изучения радиоактивности почв включала определение мощности экспозиционной дозы гамма-излучения радиометром СРП-68-01, радиоактивности по бета-излучению радиометром "Бета", мощности эквивалентной дозы гамма-излучения радиометром-дозиметром МКС-01Р1.
Во ВНИИ.СХРАЭ совместно с аспирантом В. Б. Осиповым под руководством к.х.н. СВ. Круглова в почвенных образцах определяли содержание Cs-137, Cs-134 и К-40 методом полупроводниковой гамма - спектрометрии. Количество Sr-90 устанавливали по стандартной радиохимической методике. Для определения содержания химических форм Cs-137 и
Sr-90 почвенные образцы подвергали последовательной обработке деиони-зированной-водой, 1 н водным раствором CH3COONH4, 1 н и 6 н растворами НС1. Соотношение почва : десорбент во всех почвенных образцах, кроме болотной верховой перегнойно-торфяной почвы Топиловского КПУ, было как 1 : 10. В последней - 1 : 40. В полученных вытяжках и в почве после всех обработок содержание Cs-137 определяли методом полупроводниковой гамма-спектрометрии. Далее вытяжки упаривали и определяли Sr-90 радиохимически.
Сгародубский КПУ № 1,
с. Остроглядово Стародубского
района Брянской области
(на межзападинных гривах).
Плотность загрязнения Cs-137
1-5Ки/кв.км
Сгародубский КПУ № 2,
с. Остроглядово Стародубского
района Брянской области
(в западинах). Плотность
загрязнения Cs-137 1-5Ки/кв.км
Почва серая лесная со вторым
гумусовым горизонтом
легкосуглинистая на
бескарбонатном лессовидном
суглинке
Естественная экосистема
Обычная полевая агроэкосистема
Интенсивная полевая агроэкосистема
Рис. 3. Система объектов исследований в катене (закрытой) ополья Лиственно-лесной зоны серых лесных почв
Учет беспозвоночных животных проводили в 5-кратной повторносте по М.С. Гилярову (1975) в июне-июле 1990-1993 гг. Биомассу микробиоты определяли в свежих почвенных образцах регидратационным методом (Бабьева И.П., Зенова Г.М., 1989). Микробные почвенные сообщества и их функционирование изучали на кафедре биологии почв МГУ совместно с С. В. Левиным, Б. А. Бызовым и аспиранткой СП. Просянниковой под руководством д.б.н. В. С. Гузева. Почвенные микроорганизмы изучали in situ методом инициированного микробного сообщества. Целлюлозолити-
11 ческую активность почв определяли методом целлофановых мембран. Для установления микробного токсикоза почв использовали метод критической дозы глюкозы, описанный Д.Г. Звягинцевым (1980), в модификации В. С. Гузева(1981).
Для анализа данных использовали методы многомерной статистики из работ Е.А. Дмитриева (1972), Ю.Н. Благовещенского, Е.А. Дмитриева, В.П. Самсоновой (1985), В.А. Рожкова (1983, 1989), и компьютерные программы "STATGRAF", "Делограф", "Harvard Graphics".
Благодарности. Автор выражает глубокую признательность научному консультанту доктору сельскохозяйственных наук, профессору, члену Нью-Йоркской академии наук, Д.Н. Дурманову, коллегам из Почвенного института им. В.В. Докучаева, ВНИИСХРАЭ, МГУ, Брянского и Уманского СХИ, Брянского центра "Агрохимрадиология" и Инспектуры госкомиссии по сортоиспытанию сельхозкультур, товарищам по совместной работе -Е.П. Ващекину, В.А. Ермичеву, Г.Т. Воробьеву, B.C. Гузеву, СВ. Кругло-ву, Л.К. Комогорцевой, Н.И. Прищепу, СП. Просянниковой, Н,Д. Бишу-тиной, А.Г. Зенину, СВ. Левину, B.C. Матыщаку, А.Б. Мудрову, В.Б. Осипову, СИ. Паседько, Е.М. Середовой, В.Д. Синему.