Модель 1: Коэффициент перехода от удельной активности радионуклида в почве к поверхностной активности (плотность почвы 1,2∙103 кг/м3, глубина слоя 3 см - 1,2∙103 кг/м3 х 0,03 м3/м2) =0,036∙103 кг/м2.
Модель 2: Коэффициент перехода от удельной активности радионуклида в почве к поверхностной активности (плотность почвы 1,4∙103 кг/м3, глубина слоя 10 см - 1,4∙103 кг/м3 х 0,1 м3/м2)= 0,14∙103 кг/м2
Разработаны сценарии наиболее консервативной (опасной) модели; позволяет рассчитать реальные радиационные параметры дозовых нагрузок на биотические компоненты по реально измеренному содержанию радионуклидов в почве, содержит максимально допустимые значения, рассчитанные, исходя из норматива на население 1 мЗв/год.
ГИС технологии, разработанные в ЦЭГР в виде стационарных и мобильных технологий оперативного картографирования, технологий биомониторинга на основе биотестирования и биоиндикации, технологий создания биобарьеров, позволяют реализовывать практически все операции, связанные с природопользованием при обращении с РАО, а также решать задачи обеспечения радиоэкологической безопасности на природных и урбанизированных территориях, объектах любого хозяйственного назначения, внедренных в природные ландшафты и формирующих геотехнические системы.
Разработанные ГИС «Радиоэкологический стандарт», содержащие базы данных о состоянии территорий в соответствии с типичными ландшафтно-зональными условиями, представляют научно-обоснованный методический инструмент выявления природных и техногенных радиоэкологических аномалий. ГИС «Радиоэкологический стандарт» это новый способ оценки по интегральным показателям, представляющий новую парадигму аналитического контроля окружающей среды, высказанную академиком РАН (2006): интегральные показатели можно определять любыми аналитическими методами и средствами, они могут быть безразмерными, но выстроенными на хорошо отградуированной шкале, и по разным принципам по типу «электронного носа» или «электронного языка». Видеоэкранные формы мод.
.
Рисунок 6 – Радиоэкологический стандарт т. 52: позиционирование,
видеопортрет, радиометрия, геотопология
Рисунок 7– Радиоэкологический стандарт т. 52: позиционирование,
видеопортрет, радиометрия, типы режимов факторов
Информация о состоянии природных, урбанизированных и геотехнических систем, представленная в разработанных ГИС, составляет основу и механизм оценки биосферных функций фоновых и эксплуатируемых объектов и территорий для разработки мероприятий по сохранению их биопотенциала.
Полученные результаты в виде разработанных ГИС технологий представляют реальный механизм обеспечения радиоэкологической безопасности, так как позволяют контролировать природопользование при обращении с РАО, прогнозировать воздействие на экосистемы, локализовать загрязнения, реабилитировать и оздоровлять территории.
Глава 4 МЕТОДОЛОГИЯ ПРОГНОЗИРОВАНИЯ
РАДИОЭКОЛОГИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ТЕРРИТОРИЙ
Прогнозирование как научный феномен основано на базе знаний и устоявшихся взаимосвязях процессов и явлений. Накопленный сегодня научный опыт позволяет прогнозировать движение воздушных масс, смены растительного покрова, поведение биоты в тех или иных условиях, а также запасы природных ресурсов. Однако, прогнозировать содержание элементов, в том числе радиоактивных, в почве и растениях еще никто не пытался.
Нами разработана концепция прогнозирования радиоэкологического состояния территорий на основе главного постулата наук о Земле: о взаимосвязанности и сопряженности природных процессов.
Концепция базируется на фундаментальных знаниях:
- о количественном элементном составе живого вещества биосферы Ковальский, 1974, Покаржевский, 1985, Глазовский, 1987, Перельман, 1961, Алексахин, Нарышкин, 1977);
- о пределах радио - и хемочувствительности (Криволуцкий, 1983, Соколов и др., 1989, Никаноров и др., 1985, Катков, 1985, Поликарпов, Егоров, 1986);
- о приемах оценки состояния окружающей среды в виде систем биоиндикации, биомониторинга, биотестирования, как систем оценки качества среды обитания и ее отдельных характеристик по состоянию биоты в природных условиях (Бударков и др., 1998, Цыганов, 1983),
- о толерантности биоиндикаторов как ключевом понятии в биоиндикации (Ботаническая география…,1986, Одум, 1975, Цыганов, 1983).
Толерантность (от лат. tolerantia – терпение) в экологии и радиоэкологии трактуется как способность видов существовать в определенных условиях, либо как способность организмов выносить отклонения экологических факторов от оптимального уровня (Быков, 1978, Бударков и др., 1998).
Отсюда встает задача констатации диапазона условий (факторов; параметров среды), при котором могут существовать биологические объекты данного типа.
Разработка теоретических и методических основ концепции толерантности вообще и радиотолерантности, в частности, связана с решением следующих основных вопросов:
- определением понятия «толерантность»;
- соотношением толерантности с понятиями «устойчивости», «чувствительности», «стабильности», «резистентности», «долговечности», с одной стороны; «возраста», «состояния», «динамики» и т. п., с другой.
Радиотолерантность сообществ регламентируется радиационным фактором (дозой и активностью радионуклидов). Показателями экстремальных значений радиационного фактора являются минимальные и максимальные фоновые значения дозы и активности, при которых наблюдаются нормальные структура и функционирование организмов и их сообществ. Критерием радиотолерантности организмов и их сообществ является наличие нормального типа структуры и функционирования в соответствии с ландшафтно-зональными условиями, определяемого как норма реакции сообщества.
Методы оценки радиотолерантности сопряжены с оценками биоразнообразия, типов режимов факторов, структуры и функционирования лесных сообществ, интегрированных в понятии радиоэкологической емкости – характеристики, отражающей максимально возможное поглощение сообществом радиоактивных веществ (численно выражается предельным количеством радионуклидов, поступивших в экосистему, выше которого наблюдается распад экосистемы).
Оценка радиотолерантности производится с учетом радиоэкологической емкости сообществ: в общем случае, чем выше радиоэкологическая емкость, тем шире радиотолерантность.
Региональные пределы толерантности функционирования биогеоценотических барьеров отражают диапазон их существования в многомерном экологическом пространстве. Пределы толерантности определяются крайними (граничными) значениями условий существования биобъектов.
Регламент критериев установления региональных пределов толерантности включает:
- координаты экосистемы;
- характеристик ареала экосистемы;
- параметры экотопа;
- параметры сезонной динамики био - и абиотических факторов с учетом метеорологической и климатической обстановки;
- характеристики токсикантов;
- характеристики антропогенных воздействия (уровень, интенсивность и др.).
В лесной зоне радиотолерантность определяется по развитию и представленности коренных ассоциаций с эдификаторами одной жизненной формы:
- для зоны темнохвойных лесов – видов ели, пихты или темнохвойных сосен;
- для зоны летнезеленых лесов – листопадных видов дуба.
Для растительных провинций радиотолерантность определяется по развитию и представленности коренных ассоциаций с конкретными эдификаторами:
- для Северотаежной провинции зоны темнохвойных лесов – Picea abies (Picea fennica, Picea obovata);
- для Центрально-таежной провинции зоны темнохвойных лесов – Abies sibirica;
- для Хангайской провинции зоны темнохвойных лесов – Pinus sibirica;
- для Анадырской провинции зоны темнохвойных лесов – Picea ajanensis;
- для Восточноевропейской провинции зоны летнезеленых лесов – Quercus robur;
- для Маньчжурской провинции зоны летнезеленых лесов – Quercus mongolica.
На ландшафтно-региональном уровне (ботанико-географический район) радиотолерантность определяется по критериям развития и представленности региональной сукцессионной системы.
Установление региональных пределов и разработку шкал толерантности функционирования биогеоценотических барьеров в ландшафтно-зональном спектре является основой их территориального зонирования и использования в конкретном регионе, ландшафте, природной зоне; эффективности и надежности использования в конкретных условиях.
Разработанная нами концепция прогнозирования содержания радионуклидов в растениях и почве построена на следующих теоретических положениях.
1. Установление радиотолерантности видов и их сообществ является той информационной базой, на основе которой строится диагностика радиоэкологического состояния территорий и объектов. Радиоэкологическое состояние – это характеристика радиоактивности среды обитания или радиационного фактора.
2. Радиоактивность или радиационный фактор характеризуется двумя показателями – дозой и активностью (числом распадов) радионуклидов, следовательно, радиотолерантность как диапазон выносливости вида по отношению к радиационному фактору также характеризуется двумя показателями - дозой и активностью радионуклидов в объекте. Первый показатель доза - чаще всего используется при оценке радиочувствительности организма, критерием является смертность. Используется показатель - летальная доза (ЛД), при которой погибает либо 100 (ЛД100), либо 50 (ЛД50), либо 30(ЛД30) процентов особей. Второй показатель – активность радионуклидов характеризует содержание радионуклидов в объекте. Отношение активности в объекте к активности в субстрате или пище является показателем или коэффициентом накопления.
3. Для биосферы Земли, как среды обитания биоты, установлен фоновый, оптимальный диапазон доз, обусловливающий нормальное функционирование экосистем мрад/г (Поликарпов, Егоров, 1986). Этот диапазон доз выделяется как зона радиационного благополучия. То есть в природных фоновых условиях при оптимальном диапазоне доз, когда не встречается летальных значений (а это десятки и сотни килорад), радиационный фактор целесообразно оценивать по показателю активности радионуклидов в объекте. Показатели активности являются базовыми при расчетах дозовых значений. Показатель активности радионуклидов, отражающий содержание или накопление их в тканях организмов и компонентах сообществ является специфическим индикационным признаком при индикации радиоэкологического состояния среды на фоновом уровне. Неспецифическими признаками будут любые проявления аномалий роста, развития и функционирования клеток, тканей, органов, организма в целом, нарушения структуры и функционирования сообществ и т. д.
Таким образом, показатель активности радионуклидов в биотических объектах на фоновом уровне, отражающий содержание или накопление, характеризуют реакцию биообъекта к радиационному фактору, диапазон значений которой обозначает фоновую (зональную) радиотолерантность.
Содержание или накопление радионуклидов в биообъектах обусловливается биогеохимической обстановкой территории обитания или факторами среды. То есть сопряженный анализ содержания или накопления радионуклидов в биообъектах с факторами среды, характеризующими экосистемы зональных биомов, позволил установить пределы зональной радиотолерантности видов биоиндикаторов по отношению к радионуклидам и тем самым создать информационно-методическую базу для системы биоиндикации радиоэкологического состояния территории.
Для этого необходимо было решить следующие ключевые задачи: 1) собрать данные, репрезентативно (от фр. и достоверно отражающие типичные зональные условия, 2) привести собранные данные в единое информационное пространство, к единой сравнимой шкале показателей, 3) выбрать показатели, которые позволяют однотипно сравнивать и характеризовать разные объекты.
Первая задача решена в результате оптимизации сети заложения пробных площадей и обследования плакорных экосистем зональных биомов.
Вторая задача решена путем унификации данных по характеристике условий по факторам среды, их биоиндикацией по толерантности биоиндикаторов и установлением типов режимов 10 прямодействующих факторов на каждой пробной площади.
Третья задача выбора сравнимого показателя решена путем расчета для каждого вида параметра - дельты – отклонения от оптимума по каждому фактору среды. Каждый вид имеет свое значение оптимума (медиану) на шкале толерантности, для каждой пробной площади рассчитан тип режима фактора и отклонение его от оптимума для каждого вида, то есть, определена дельта или отклонение от оптимума. В дальнейших расчетах участвует в качестве фактора - дельта, а в качестве явления – показатели активности радионуклидов и коэффициенты их накопления в растениях и почве.
Выявление зональной радиотолерантности биоиндикаторов осуществляется путем анализа закономерностей накопительной способности биоиндикаторов с выделением радиотолерантных экоморф (позиционирование видов на шкале радиотолерантности).
Радиотолерантность как диапазон выносливости вида при радиационном воздействии определяется двумя показателями радиоактивности – дозой и активностью радионуклидов в объекте.
Первый показатель доза – чаще всего используется при оценке радиочувствительности организма, критерием является смертность. Используется показатель – летальная доза (ЛД), при которой погибает либо 100 (ЛД100), либо 50 (ЛД50), либо 30(ЛД30) процентов особей.
Второй показатель – активность радионуклидов характеризует содержание радионуклидов в объекте. Отношение активности в объекте к активности в субстрате или пище является показателем или коэффициентом накопления.
Мы использовали показатель активности радионуклидов в биоиндикаторах в качестве показателя радиотолерантности: минимум – минимально измеренная активность (как правило, это значение чувствительности прибора), максимум – реально измеренное наибольшее значение активности или реально рассчитанное наибольшее значение коэффициента накопления. Критерием радиотолерантности является нормальное состояние объекта, выявленное в типичном плакорном местообитании, отражающем зональные условия.
Алгоритм оценки радиотолерантности биоиндикаторов разработан на основе базы данных, собранных в европейской территории России в 116 пробных площадях, составляющих единый профиль по градиенту природных факторов.
Прямодействующие факторы, определяющие экологическую нишу вида растений, можно разделить на две группы: одну группу представляют факторы зональные (терморежим, континентальность, влажность и морозность климата), вторую группу представляют ценоэдафические факторы (увлажнение почв, солевой режим почв, кислотность почв, богатство почв азотом, переменность увлажнения почв, режим затенения-освещения). Эти факторы обусловливают и накопительную способность растений по отношению к радионуклидам. Первая группа факторов определяет продолжительность вегетационного периода и интенсивность метаболизма, а вторая группа факторов – интенсивность метаболизма и доступность элементов питания. Априорные тенденции зависимостей показаны в таблице 2.
Нами проанализированы пределы толерантности 574 видов по отношению к 10 прямодействующим факторам. Эта информация является нормативной для решения ряда прикладных задач. Для каждой географической точки профиля определены экологические свиты видов, типы режимов факторов, а также комфортопы, то есть, определена комфортность окружающей среды по каждому конкретному фактору для фитоценозов.
Алгоритм представляет следующую схему анализа: 1) установление биоразнообразия, 2) определение экологических ареалов и выявление свит, 3) расчет связи радиационных показателей биоиндикаторов с их толерантностью по отношению к 10 прямодействующим факторам, 4) расчет связи радиационных показателей биоиндикаторов с экологическими свитами, 5) создание каталога радиотолерантных биоиндикаторов.
В качестве радиационных показателей использованы следующие: содержание Sa по эталону 238+239 Pu (А Бк/кг); коэффициент накопления Sa по эталону 238+239 Pu (Кн); содержание Sb по эталону 90Y+90Sr(А Бк/кг); коэффициент накопления Sb по эталону 90Y+90Sr (Кн); содержание 90Sr (А Бк/кг); коэффициент накопления 90Sr (Кн); содержание 40K (А Бк/кг); коэффициент накопления 40K (Кн).
Анализ реальных связей и тенденций проведен методом информационно-логического анализа. В качестве явления рассмотрены максимальные содержания (абсолютные значения) и максимальные коэффициенты накопления (отношение содержания в растении к содержанию в почве) радионуклидов по показателям Sa, Sb, 90Sr, 40К. В качестве факторов рассмотрены отклонения от оптимума по каждому фактору и для каждого вида растений (всего 49 видов). Рассчитано и проанализировано более 4000 матриц отношений.
Выделены виды, которые всегда содержат большое количество радионуклидов, и виды, которые всегда содержат низкое количество радионуклидов. Поэтому для системы биоиндикации в первую очередь необходимо установить факторную обусловленность накопительной способности биоиндикаторов.
Как показывает анализ связей, накопительная способность вида определяется его толерантностью к 10 прямодействующим факторам, характер зависимости носит специфический характер для каждого вида. Составлены матрицы отношений и определены значимые диапазоны, характеризующие радиотолерантность биоиндикаторов (таблица 3).
Анализ связи радиотолерантности биоиндикаторов с их экологическими свитами отражает зависимость накопительной способности биоиндикаторов от условий среды и, по сути, дает возможность установить диапазоны или пределы радиотолерантности сообществ видов, то есть перейти на другой более высокий иерархический уровень организации биоты.
Собранная информация и проведенный анализ позволили впервые установить на фоновом типично ландшафтно-зональном уровне радиотолерантность видов растений и их экологических свит, тем самым создать нормативно-базовую информацию в виде каталогов биоиндикаторов для решения разнообразных задач природопользования.
Выявленные связи накопительной способности растений по отношению к радионуклидам с факторами среды дают основание прогнозировать содержание радионуклидов на территориях по толерантности видов растений.
Каталоги биоиндикаторов с конкретными значениями радиационных показателей и сопряженных характеристик факторов среды составили фундаментальную базу данных, не имеющих аналогов в мировой практике.
Моделирование лесных сообществ как биобарьеров (Соболев и др.. 2000, , 1988, 2000, , 1999) на основе их радиотолерантности проведено с использованием регламента критериев, включающего типологическую принадлежность сообщества (тип, формация и т. д.); топологическую принадлежность данного типа сообществ (положение в структуре региональной сукцессионной системы); возраст конкретного насаждения.
Показано, что радиотолерантность лесных насаждений определяется возрастом (рост значений от молодняков к спелым насаждениям, с последующим падением на стадии перестойных насаждений) и положением в ряду сукцессионной динамики (рост значений от пионерных к коренным сообществам с последующим падением на стадии климакса); радиотолерантность биобарьеров снижается в ряду сукцессионных смен эдификаторов «ольха-осина-береза-ель» и определяется типолого-возрастной структурой конкретного насаждения; диапазон радиотолерантности с учетом возрастной структуры древостоя может различаться в 1,5 – 3 раза.
Структура каталога радиотолерантных лесных сообществ отражает уровни их организации: топологический, ценотический, популяционно-видовой, организменный.
Регламент критериев структуризации радиотолерантных лесных сообществ топологического уровня включает показатели идентификации сообществ к природной зоне; провинции; округу; району (сукцессионной системе); экогенетическому комплексу; демутационному комплексу; парцелле. Регламент критериев установления лесных сообществ ценотического уровня включает показатели положения сообществ в иерархии типов растительности (лесной); формаций; ассоциаций; ярусной (вертикальной) структуры; горизонтальной (парцеллярной) структуры; синузиальной структуры; ценотипов (эдификатор, ассектатор).
Для организменного уровня регламент критериев подразумевает использование параметров абсолютного возраста особи, пол, биометрические (размерные) характеристики.
Критерием зональной радиотолерантности установлено нормальное состояние объекта, выявленное в типичном плакорном местообитании, отражающем зональные условия. Показателями радиотолерантности установлены: 1) диапазон значений содержания или накопления радионуклидов в биоиндикаторах от минимума до максимума, 2) положение диапазона на общей шкале значений (содержания или накопления радионуклидов). Минимум – минимально измеренная активность, или реально рассчитанное наименьшее значение коэффициента накопления; максимум – реально измеренное наибольшее значение активности или реально рассчитанное наибольшее значение коэффициента накопления.
Для популяционно-видового уровня регламент критериев отражает таксономический ранг и внутрипопуляционные характеристики сообществ: отдел, класс, порядок, семейство, род, вид; элемент половозрастной структуры (пол, возрастной спектр – класс возраста и т. д.), тип стратегии.
Анализ зональной радиотолерантности видов проведен методом ординации диапазона содержания или накопления радионуклидов в растениях каждого вида (или их частях: листьях, ветках) на общей шкале. Покажем решение задачи на примере.
Таблица 2 - Оценка влияния прямодействующих факторов на накопительную способность биоиндикаторов (Кн)
№ | Группа факторов | Факторы | Тенденции | Обусловленные процессы |
1 | Зональные | Терморежим климата {Tm} | 1) - продолжительность вегетационного периода, 2) - интенсивность метаболизма | |
2 | Континентальность климата {Kn} | |||
3 | Влажность климата {Om} | |||
4 | Морозность климата {Ct} | |||
5 | Ценоэдафические | Увлажнение почв {Hd} | 1) - интенсивность метаболизма, 2) - доступность элементов питания | |
6 | Обобщённый солевой режим почв {Tr} | |||
7 | Кислотность почв {Rc} | |||
8 | Богатство почв азотом {Nt} | |||
9 |
| |||
10 | Режим затенения {Lc} |
Таблица 3 - Характер связи максимального содержания (А) и накопления (Кн) радионуклидов в биоиндикаторах с их толерантностью к 10 факторам*
№ | Фактор | Оптимум вида | Sb | 90Sr | 40K | |||
А | Кн | А | Кн | А | Кн | |||
1 | Терморежим климата {Tm} | >9 | - | - | 3 | - | - | - |
7-9 | - | - | 1 | - | - | - | ||
2 | Континентальность климата {Kn} | 9-12 | 3 | 3 | 3 | 3 | - | 3 |
7-9 | 1 | 1 | 1 | 1 | - | - | ||
3 | Влажность климата {Om} | 8-9 | 1 | 1 | 1 | 1 | - | - |
6-7 | 3 | 3 | 3 | 3 | - | - | ||
4 | Морозность климата {Ct}} | 7-8 | 3 | - | - | - | - | - |
6-7 | 1 | - | - | - | - | - | ||
5 | Увлажнение почв {Hd} | 10-14 | 1 | - | - | 1 | - | - |
5,5-10 | 3 | - | - | 3 | - | - | ||
6 | Обобщённый солевой режим почв {Tr}} | 4,5-11 | 3 | - | - | - | - | - |
8-10 | - | - | 3 | 3 | - | - | ||
6-8 | 1 | - | - | - | - | - | ||
4,5-7 | - | - | 1 | 1 | - | - | ||
7 | Кислотность почв {Rc} | 9-11 | - | - | 3 | - | 3 | 3 |
6-7 | - | - | 1 | - | 1 | 1 | ||
8 | Богатство почв азотом {Nt} | 6-8,5 | - | - | 1 | - | - | - |
3-6 | - | - | 3 | - | - | - | ||
9 | Переменность увлажнения почв {fH} | 8-9 | 3 | - | - | 1 | - | 3 |
<8 | 1 | - | - | 3 | - | 1 | ||
10 | Режим затенения {Lc} | - | - | - | - | - | - | - |
* Характер связи: 1 – максимум накопления в оптимуме, 3 – максимум накопления при максимуме отклонения от оптимума.
|
Из за большого объема этот материал размещен на нескольких страницах:
1 2 3 4 5 6 |
