Серия 17. Почвоведение. 2022. № 4

Дается обзор результатов многолетних исследований миграции радионуклидов аэральных выпадений в составе лизиметрических вод. Рассматриваются особенности лизиметрических исследований на различных этапах развития радиоэкологии. Отмечается, что применение лизиметров долгое время ограничивалось низкими уровнями активности радионуклидов в почвенных растворах и масштабные исследования начались после чернобыльских выпадений (1986). Показано, что наибольший выход радионуклидов в лизиметрические воды происходит в лесных, в особенности хвойных фитоценозах, наименьший — в луговых и агрофитоценозах. В многолетней динамике максимальная интенсивность миграции радионуклидов в составе лизиметрических вод отмечается в начальный период после радиоактивных выпадений, в сезонной — в летний. Оценен вклад гравитационного стока в перераспределении радионуклидов в почвенном профиле. Из горизонта лесной подстилки годовой вынос варьирует от десятых долей до единиц процентов, а из слоя 0–20 см — от сотых до десятых долей процентов от общего запаса радионуклидов в этих слоях. Относительный вынос ⁹⁰Sr значительно опережает таковой ¹³⁷Сs. В почвенном растворе от 70 до 90% радионуклидов (⁹⁰Sr, ¹³⁷Сs, ²³⁸Pu, ^239+240Pu и ²⁴¹Am) находятся в форме радионуклид-органических соединений различных молекулярных масс.

Цель работы — обобщить имеющиеся в научной литературе данные по значениям изотопного соотношения ¹³⁷Cs/¹³³Cs в почвах и растительном покрове лесных экосистем на радиоактивно загрязненных и фоновых территориях. Представленные в радиоэкологических исследованиях значения удельной активности ¹³⁷Cs и концентрации ¹³³Cs унифицированы с помощью расчета молярного соотношения этих изотопов. На основе обобщенных литературных сведений показано, что значения ¹³⁷Cs/¹³³Cs в почвах, лесных подстилках и растительности увеличиваются на радиоактивно загрязненных территориях. В фоновых регионах, подверженных только глобальным радиоактивным выпадениям, изотопное соотношение ¹³⁷Cs/¹³³Cs составляет около 0,1–1,0 (× 10^-8), тогда как в зоне чернобыльских выпадений повышается в 1000–100000 раз. Изотопное соотношение ¹³⁷Cs/¹³³Cs уменьшается вниз по профилям почв в различных лесных экосистемах. Пространственное варьирование соотношения ¹³⁷Cs/¹³³Cs в подстилках связано с разнообразием экотопов в лесных биогеоценозах. Выравнивание значений соотношения ¹³⁷Cs/¹³³Cs в растительном покрове и верхних почвенных горизонтах указывает на достигнутое равновесие техногенного ¹³⁷Cs с природным стабильным ¹³³Cs в биогеохимическом цикле этого элемента. В сравнительном исследовании выявлено, что изотопное соотношение ¹³⁷Cs/¹³³Cs возрастает в следующем ряду представителей растительного покрова: Bryophyta < Sorbus aucuparia < Lichenes < Russula vesca < Frangula alnus < Polypodióphyta. Для грибов отмечены межвидовые различия в следующем возрастающем ряду по изотопному соотношению Cs¹³⁷/Cs¹³³: Lactarius deliciosus < Sarcodon scabrosus < Suillus bovinus < Tricholoma saponaceum < Lepista nuda < Russula delica < Macrolepiota excoriata. Для эталонного вида хвойных деревьев — Pinus sylvestris — изотопное соотношение ¹³⁷Cs/¹³³Cs на загрязненном чернобыльскими выпадениями лесном участке Брянской области возрастает в следующем ряду компонентов: корни < крупные ветви < древесина ствола < хвоя < мелкие ветки < шишки.

Исследование было проведено с целью выявления особенностей поведения ¹³⁷Cs и К в системе «почва-растение» в агроценозах и природном луговом биогеоценозе черноземной зоны в отдаленный период после чернобыльских выпадений. В центральной части Плавского радиоактивного пятна Тульской области были выбраны площадки опробования в агроценозах с пшеницей, соей, гречихой, рапсом, подсолнечником, злаково-бобовой травосмесью, а также в естественном биогеоценозе суходольного луга. Установлено, что средний уровень радиоактивного загрязнения почв территории ¹³⁷Cs составил 171 ± 26 кБк/м² (498 ± 100 Бк/кг); среднее содержание валового К — 2,0 ± 0,1%, в том числе К_обм — 235 ± 54 мг/кг, К_необм — 816 ± 116 мг/кг. Профильное распределение ¹³⁷Cs в пределах загрязненного 30-см поверхностного слоя агроценозов, а также К_вал во всех почвах было равномерно-аккумулятивным, в то время как распределение К_обм и К_необм носило регрессивно-аккумулятивный характер; при этом микрораспределение ¹³⁷Cs в корнеобитаемой зоне было инвариантным, а для подвижных форм калия показано градиентное обогащение почвы вблизи поверхности корней. Интенсивность перехода ¹³⁷Cs из почв в растения для всех исследованных культур на 1–2 порядка уступала интенсивности корневого потребления растениями К. Различались и особенности распределения элементов между органами растений, причем для ¹³⁷Cs оно было акропетальным для представителей сем. Злаковые и базипетальным для культур из других семейств, а К распределялся базипетально во всех опробованных растениях.

В период с 1978 по 2021 г. изучались параметры миграции и динамика распределения ¹³⁷Cs в пахотных и целинных почвах Тульской области. Выявлены идентичные закономерности распределения ¹³⁷Cs глобальных и аварийных чернобыльских выпадений в почвенном профиле выщелоченных черноземов. На пахотных угодьях проведение агротехнических мероприятий способствует равномерному распределению ¹³⁷Cs в пахотном слое почв. В ненарушенных почвенных горизонтах черноземных почв луговых фитоценозов наиболее активно процессы перераспределения радионуклидов в поверхностных слоях наблюдались в первый 10-летний период после выпадения, что способствовало выравниванию запасов ¹³⁷Cs в слоях 0–2 и 2–5 см и возрастанию их содержания в слое 5–10 см до более чем 30% к началу 2000 г. В настоящее время более 75% запаса ¹³⁷Cs в целинных черноземных почвах Тульской области сосредоточено в верхнем 15-см слое, а глубина проникновения радионуклидов достигает 40–45 см. 

В период с 1978 по 2021 г. изучались параметры миграции и динамика распределения ¹³⁷Cs в пахотных и целинных почвах Тульской области. Выявлены идентичные закономерности распределения ¹³⁷Cs глобальных и аварийных чернобыльских выпадений в почвенном профиле выщелоченных черноземов. На пахотных угодьях проведение агротехнических мероприятий способствует равномерному распределению ¹³⁷Cs в пахотном слое почв. В ненарушенных почвенных горизонтах черноземных почв луговых фитоценозов наиболее активно процессы перераспределения радионуклидов в поверхностных слоях наблюдались в первый 10-летний период после выпадения, что способствовало выравниванию запасов ¹³⁷Cs в слоях 0–2 и 2–5 см и возрастанию их содержания в слое 5–10 см до более чем 30% к началу 2000 г. В настоящее время более 75% запаса ¹³⁷Cs в целинных черноземных почвах Тульской области сосредоточено в верхнем 15-см слое, а глубина проникновения радионуклидов достигает 40–45 см. 

Изучено валовое содержание свинца, содержание его кислоторастворимых и подвижных форм соединений в серо-гумусовых почвах (Rendzic Leptosols) зоны воздействия Череповецкого металлургического комбината (Вологодская обл.). Определен изотопный состав свинца указанных его форм соединений. Показано, что свинец, входя в состав газопылевых выбросов предприятия, обнаруживается в повышенных количествах вплоть до 6–10 км в исследованном нами северном направлении от источника загрязнения. Наблюдается проникновение техногенных соединений свинца вниз по профилю почв вплоть до горизонта B. Изученные нами изотопные отношения свинца ²⁰⁶Pb/²⁰⁷Pb, ²⁰⁸Pb/²⁰⁶Pb и ²⁰⁸Pb/²⁰⁷Pb обнаруживают четкие зависимости от содержания свинца в почвах. Для всех отношений в ряду «валовой свинец < кислоторастворимый свинец < подвижный свинец» возрастает вклад техногенных соединений свинца в его изотопный состав, так как в этом же ряду происходит увеличение доли техногенных соединений свинца от его общего количества. Экстраполяция зависимости отношения ²⁰⁶Pb/²⁰⁷Pb от содержания свинца в область низких содержаний дает величину данного отношения в интервале 1,19–1,25, что соответствует изотопному составу валового свинца фоновых почв Европейской части России. В почвах вблизи ЧерМК это отношение уменьшается до 1,10, что соответствует многочисленным литературным данным. Выбор изотопного отношения имеет решающее значение для получения более детальной информации о характере и источниках техногенного загрязнения почв свинцом. Так, в почвах с низким содержанием свинца по величинам изотопного отношения ²⁰⁸Pb/²⁰⁷Pb выделяется свинец, связанный с другим источником загрязнения, предположительно с городской ТЭЦ, работающей на каменном угле.

Исследован изотопный состав углерода в разных пулах органического вещества (ОВ) типичного чернозема Центрально-Черноземного государственного биосферного заповедника «Стрелецкая степь», выделенных методом грануло-денсиметрического фракционирования почвы. Изотопный анализ ОВ разных пулов позволил подтвердить последовательность разложения ОВ в почвах, которое следует континууму от свежих и частично разложенных растительных остатков в дискретном ОВ до значительно/полностью переработанных — в органо-минеральных фракциях. Это находит отражение в «утяжелении» изотопной сигнатуры при переходе от дискретного ОВ к минерально-ассоциированному. Все исследованные пулы ОВ подвергаются микробной переработке, но в разной степени. Свободное ОВ, несмотря на то, что состоит из хорошо узнаваемого растительного материала, не всегда является самым свежим и неразложившимся органическим материалом. Более «легкая» изотопная сигнатура агрегированного ОВ по сравнению со свободным ОВ, несмотря на свою очевидную бóльшую степень микробной переработки, может быть следствием его физической защиты в микроагрегатах, неустойчивых в ультразвуковом поле, внутри структурных отдельностей почвы. Наиболее микробно переработан минерально-ассоциированный органический материал — илистая фракция и фракция Остаток, характеризующийся наиболее тяжелой изотопной сигнатурой. Изотопный состав углерода почвы в целом определяется преимущественно фракцией Остаток, количественно доминирующей в почве. Концептуальная схема демонстрирует, что основные потоки C в пулах ОВ идут из ЛФ_СВ к фракции Остаток через неустойчивые в ультразвуковом поле микроагрегаты почвы. Наиболее вероятные источники потока С в почву — неустойчивые в ультразвуковом поле микроагрегаты и фракция Остаток, которые характеризуются наименьшими величинами Δ¹³C (разница величины Δ¹³C «источника» и «продукта»).

Проведен анализ изотопного состава растительности и органического вещества буроземов мерзлотных юга Витимского плоскогорья. Профиль почв характеризуется ярко выраженным неравномерным распределением углерода. Основная часть запасов углерода сосредоточена в гумусово-аккумулятивном горизонте, вниз по профилю — значительно ниже. Растительность на буроземах относятся к С-3 типу фотосинтеза. У бобовых, разнотравья и полукустарниковых надземные части несколько обеднены изотопом ¹³С по сравнению с подземными. У деревьев содержание ¹³C в ветках, хвое и листьях различается незначительно. Изотопный состав углерода верхних горизонтов почв зависит от типа фитоценоза и имеет близкие значения к δ¹³С доминирующих растений. С глубиной фракционирование изотопов углерода показывает четкую вертикальную дифференциацию по почвенному профилю. Углерод гуминовых кислот почв из гумусово-аккумулятивного горизонта и из криогенных трещин слабо различается по изотопному составу. Состав стабильных изотопов углерода ГК по профилю почвы остается примерно на одинаковом уровне. Такие данные свидетельствуют о сходстве процессов формирования ГК в верхних слоях почв и в гумусовых карманах.

С использованием метода масс-спектрометрии стабильных изотопов углерода и азота впервые охарактеризованы особенности изотопного состава сапротрофных и микоризных грибов-макромицетов, произрастающих на олиготрофном верховом болоте. С применением молекулярно-генетических методов получены первые данные о присутствии свободнорастущего мицелия грибов, образующих микоризу экто- и арбускулярного типов на безлесных территориях верхового болота. Показано, что изотопный состав плодовых тел микоризных и сапротрофных грибов верхового болота различается незначительно. Плодовые тела сапротрофных грибов, растущих на поверхности мохового покрова, были обогащены ¹³С, но не ¹⁵N по сравнению со сфагнумом. Различия в изотопном составе отдельных частей плодовых тел макромицетов (ткани гименофора, ножки) при произрастании на верховом болоте практически отсутствуют. Мицелий микоризных грибов верхового болота обогащен ¹⁵N по сравнению с тканями растений-хозяев от 1,4 до 9,5‰, что значительно превышает аналогичные значения, показанные ранее для лесных экосистем.

Почвы западного макросклона Баргузинского хребта имеют четкую высотную поясность. В нижней части трансект-катены преобладают дерново-подбуры, буроземы, тогда как на высотах встречаются литоземы, почвы перегнойно-темногумусовые и подбуры грубогумусовые. Характерными особенностями всех типов почв являются небольшая мощность почвенного профиля, грубогумусность, кислая реакция среды, регрессионно-аккумулятивный характер распределения общего углерода и азота по профилю, низкая или очень низкая (отношение C/N — от 11 до 40) обогащенность органического вещества азотом. Значения δ¹³С варьируют от –28,45 до 22,10‰, с утяжелением вниз по профилю. С увеличением высоты значения δ¹³С в гумусовых горизонтах находятся в пределах от –26,82 (500 м н.у.м) до –22,66‰ (1700 м н.у.м), возможно, из-за снижения среднегодовой температуры воздуха. В отличие от δ¹³С, значения δ¹⁵N в гумусовых горизонтах почвенных профилей уменьшаются с 10,04‰ на высоте 500 м н.у.м. до 8,77‰ на высоте 1700 м н.у.м., указывая на то, что при низких среднегодовых температурах воздуха цикл азота более замкнутый. Соотношение среднегодовой температуры воздуха и значений изотопного состава позволяет сделать вывод, что при снижении на 1ºС значения δ¹³С в подстилке будут уменьшаться на 0,89‰, а в верхнем минеральном горизонте — на 0,67‰. 

В статье рассматриваются процессы перехода в водную фазу и поглощения из нее растениями стабильных (Cd) и радиоактивного (¹⁰⁹Cd) изотопов. С помощью последовательного фракционирования по методу Тесье-Форстнера выявлены закономерности распределения Cd/¹⁰⁹Cd между различными формами их химических соединений в почве. Показано, что содержание подвижных и условно подвижных форм соединений стабильного Cd (фракции F1-F3) было в 1,2–1,8 раза меньше, чем радиоактивного ¹⁰⁹Cd. Однако для неподвижных консервативных форм соединений металла (фракции F4-F6) это соотношение было, наоборот, в 2,4–5,3 раза больше. Оценены концентрация Cd, удельная активность ¹⁰⁹Cd, коэффициенты распределения и концентрирования природного Cd и радионуклида ¹⁰⁹Cd, накопление и вынос металла растениями. Определены величины коэффициентов обогащения природного (стабильного) Cd, содержащегося в последовательно извлекаемых химических фракциях, радиоизотопом ¹⁰⁹Cd, рассчитана величина запаса подвижных соединений Cd (¹⁰⁹Cd) в исследуемой почве. По результатам спектроскопии ЯМР твердого тела на ядрах ¹³C установлен качественный состав высокомолекулярных органических соединений почвенного раствора и оценена их способность к специфической сорбции катионов тяжелых металлов, включая Cd.