Лесные экосистемы и отдельные их звенья вполне обоснованно привлекают внимание исследователей процессов загрязнения природной среды.
Отрицательное воздействие загрязнения воздуха в первую очередь проявляется на хвойных породах растений, на лиственных видах роль прямого воздействия незначительна из-за ежегодного сбрасывания листвы [Гутман, 1990]. В некоторых исследованиях установлены критические и летальные концентрации металлов, например, в хвое. Оценки эти для одних и тех же элементов у разных авторов расходятся весьма значительно. Следует отметить и ограниченность списка элементов в отдельных работах: Ni — 30-40, Cr — 15-50, Zn — до 75 мг/кг [Крючков, 1990; Veijalainen, 1998].
К лесным горючим материалам (ЛГМ) относятся все способные гореть компоненты биогеоценоза: дерновый слой почв, лесные подстилки, мхи, лишайники, травы, кустарники, хвоя или листья, ветви, кора деревьев, опад, валежник, торф и древесина. Отдельными горючими материалами считаются группы и виды лесных растений, их морфологические части и разновидности растительных остатков, которые признаются однородными в какой-либо конкретной связи. Однако вся органическая масса лесного биогеоценоза полностью сгорает редко и обычно при пожарах не более 20-30 % всей органической массы [Курбатский, 1970]. Это связано с тем, что свежая древесина в большинстве случаев остается невыгоревшей даже при самых сильных пожарах. А ее запасы по сравнению с запасами других компонентов лесного биогеоценоза по массе значительно выше.
Опадом считается совокупность всех мелких частей лесной растительности на поверхности почвы. Сюда же относят и отмершие стебли трав, сохраняющие вертикальное положение (здесь и далее при определении ЛГМ в большинстве случаев мы цитируем Н. П. Курбатского «Исследование количества и свойств лесных горючих материалов» 1970). В зависимости от типа леса состав опада различен. Например, опад из хвои сосны и кедра обычно загорается легко, а плотный еловый при этом не горит и задерживает распространение низовых пожаров. Запасы его колеблются в очень широких пределах и в молодых сосняках его количество выше, чем в старых.
Геохимическая роль опада заключается в том, что он фиксирует современные атмосферные выпадения, не старше одного-двух лет. Задержанные на нем пылевые и аэрозольные частицы с различными химическими элементами могут быть смыты дождевыми и талыми водами в нижележащие слои почвы (в большинстве наших объектов — лесной подстилки).
Отбор проб опада требует внимательного подхода, поскольку граница между ним и нижележащей лесной подстилкой почти условная и начало слоя разлагающейся хвои или листвы можно не заметить. Между тем именно на этой границе происходит изменение содержаний многих химических элементов и искусственных радионуклидов. При достаточном опыте работ определение границы между опадом и лежащими ниже слоями подстилки особого труда не представляет.
Лесная подстилка — это верхний горизонт почвы (А0), представленный разлагающимся органическим веществом (35 % по массе, более 70 % по объему) с примесью минеральных компонентов. Мощность подстилок редко превышает 20 см. В них выделяют три подгоризонта: верхний (L) представлен свежим опадом с практически полным сохранением своей исходной формы; средний (F) с частично сохранившими растительными остатками. В нем происходят интенсивные процессы разрушения опада и начинается синтез гумусового вещества; в подгоризонте H исчезают видимые следы растительных остатков, происходит дальнейший синтез и закрепление гумусовых веществ. К нижним уровням подстилки равномерно увеличивается содержание минеральной компоненты, что отражается в повышении зольности в ее вертикальном разрезе. Минеральная составляющая подстилки имеет двойной генезис: с одной стороны, постепенное обогащение ее косным веществом идет снизу из подстилающих пород в результате деятельности микроорганизмов, почвенных животных или притока влаги в засушливые периоды, с другой — в результате эолового привноса пылевых и аэрозольных частиц происходит насыщение ими верхних горизонтов подстилки [Пугачев, 1983; Тихомирова 1983]. Все эти сложные процессы являются причиной того, что четкую границу между подгоризонтами провести трудно: как правило, переходы эти постепенны и чаще всего определяемы только специальными приемами, такими как измерение удельного веса, величины pH суспензий или зольности. Однако и эти приемы в основном только подчеркивают постепенность смены процессов, происходящих в лесной подстилке.
Формирование лесной подстилки — это результат взаимодействия всех многочисленных процессов и компонентов лесного биогеоценоза, фитоценоза и почвы [Коваленко, 2004]. Нельзя не согласиться с мнением исследователей, рассматривающих подстилку как особую подсистему лесного биогеоценоза [Сукачев, Дылис, 1964]. Перемещение искусственных радионуклидов из кроны деревьев происходит не сразу и зависит от многих причин. Но в целом процесс для лиственных пород длится около года, а для хвойных — до трех лет [Тихомиров, 1972]. После этого радионуклиды в зависимости от вида древостоя с различной скоростью мигрируют в минеральную часть под подстилку: в лиственной подстилке уже через 4 месяца из подстилки ушло 30 % l37Cs [Мартюшов и др., 1993]. В хвойных подстилках процесс протекает медленнее.
В лесных сообществах подстилки играют весьма существенную роль. С одной стороны, они служат субстратом для прорастания семян лесных растений, источником и потенциальным резервом биогенных веществ и многих водорастворимых органических соединений, что обусловливает формирование специфической среды в ризосферной зоне подроста. С другой стороны, важная роль лесных подстилок заключается в их биогеохимической информативности [Нечаева, 1983]: они являются самым главным геохимическим барьером на пути миграции химических элементов в лесном биогеоценозе [Shcherbov, Lazareva, 2012]. Барьер этот сложный и внутри него происходит перераспределение элементов, зависящее от многих параметров, таких как изменение влажности или температуры. Например, повышение температуры с 2 до 50° С увеличивает выщелачиваемость 137Cs в 3-6 раз, а замораживание и высушивание подстилки ведет к резкому его высвобождению [Witkamp, 1972]. И с третьей стороны, подстилки, имея повсеместное распространение, горят при любом типе пожара и в большей степени, чем остальные компоненты биогеоценоза, служат источником атмосферной миграции элементов или перераспределении их по площади пожарища.
Процессы биогенной аккумуляции микроэлементов в лесных подстилках сложны и зависят от множества причин. Это соотношение живого и косного вещества, скорость гумификации опада, сезонные колебания условий минерализации и так далее [Долбовская, 1975; Молчанова и др., 1979]. Различные элементы в зависимости от типа лесных подстилок при разложении органического вещества ведут себя по-разному. Например, миграционный ряд зольных элементов в однотипных подстилках выглядит так: Na > К > Mn > Ca > Mg > P > Al > Fe > Si [Костенкова, Щапова, 1977]. Под влиянием почвенного животного населения происходит измельчение подстилок и опада, что повышает содержание в них подвижных форм и выщелачивание искусственных радионуклидов [Reichle е. а., 1971]. Как будет показано ниже, эта роль лесных подстилок при изучении процессов миграции химических элементов особенно усиливается самым высоким среди всех ЛГМ содержанием в них тяжелых металлов и искусственных радионуклидов. В экологическом аспекте лесные подстилки играют одну из самых существенных ролей среди многочисленных геохимических барьеров на пути атмосферной миграции различных загрязняющих веществ по различным ярусам леса [Гришина и др. 1991].
На севере Сибири (до 72° СШ) почвенный слой оттаивает менее, чем на I м, так как мох и подстилка (15-35 см) играют роль теплового экрана. После лесных пожаров глубина оттаивания увеличивается, вследствие чего ее плодородные функции повышаются на 30-40 лет [Сафронов, Волокитина, 1999].
Очень важно и то, что лесные подстилки — это единственный компонент лесного биогеоценоза, количество которого в тех или иных лесах можно определить с небольшими трудозатратами, если сравнивать их по этому параметру с другими компонентами лесного биогеоценоза. В ленточных борах Обь-Иртышского междуречья их запасы, по нашим определениям [Щербов и др., 2008], составляют 10,8 т/га сухого веса вещества. Измеренная нами по нескольким десяткам точек плотность лесных подстилок составляет 0,28 г/см3 сухого вещества. Это на порядок выше, чем у мхов (0,046) и лишайников (0,018 г/см3). Однако, в каждом конкретном случае изучения пирологческих объектов или в различных регионах Сибири плотность лесных подстилок колеблется в широких пределах, что в первую очередь зависит от сочетания растительных и минеральных компонентов. В бореальных лесах запасы лесных подстилок изменяются от 15 до 78 т/га [Биеньковский и др., 2003]. В северном полушарии от лесотундры к тропическим лесам масса подстилки падает от 60 до 1,5 т/га, а запасы углерода в подстилках сокращаются почти в 150 раз (от 730 до 5 кг/га), кальция — в 11 раз (с 650 до 60 кг/га) [Титл я нова, Шибарева, 2012].
Мхи и лишайники способны оказывать существенное влияние на возникновение и распространение лесного пожара в тех областях, где они доминируют среди всех напочвенных ЛГМ. К таким площадям следует отнести приарктические регионы Сибири, где часто отмечается сплошной моховолишайниковый покров. В южных регионах эти растения чаще всего играют роль первого звена в возникновении пожара.
Лишайники состоят из двух противоположных в физиологическом отношении компонентов — клеток гетеротрофного гриба и автотрофной водоросли. Специфическая биохимия лишайников н анатомо-физиологические особенности строения, не встречающиеся у других растений, обусловливают их высокую поглотительную способность по отношению к различным загрязнителям. Благодаря этим свойствам они усваивают воду (дождь, снег, туман, роса) всей поверхностью и очень быстро. Кустистые лишайники сравнительно быстро растут во всех климатических зонах: они дают прирост до 2-7 см в год. В среднем возраст большинства листовидных и кустистых лишайников не превышает 50-100 лет [Гарибова и др., 1978; Грушвицкий, Жилин, 1978]. На севере Западной Сибири нижняя часть кустистых лишайников, как правило, представлена их сгнившим веществом, в котором обычно сосредотачивается основное количество искусственных радионуклидов [Щербов, Страховенко, 2003]. Интенсивность поглощения выпадающих из атмосферы радионуклидов у этих растений в 20-100 раз выше, чем у травянистых растений [Моисеев, Рамзаев, 1975].
В сухую погоду в одних и тех же местах мхи и лишайники воспламеняются значительно быстрее, чем травы, кустарнички и находящиеся под ними лесные подстилки. Поэтому опыт многочисленных исследований и совокупность всех свойств ЛГМ позволяют признать кустистые лишайники наиболее пожароопасными среди растительных сообществ. На втором месте стоят зеленые мхи. Последнее место остается за кукушкиным льном (Polytrichum commune), несмотря на то, что он обычно занимает наименее влажные места.
В наших исследованиях наиболее распространенными служили зеленые гилокомиевые и энтодонтовые мхи (наиболее распространенные из них Hylocomium splendens и Pleurozium schreberi), а также так называемый кукушкин лен (Polytrichum commune). Среди наземных (эпигейных) кустистых лишайников доминировали Claclina stellaris, Cl. rangiferina, Cl. Sylvatica и Cl. Alpestris и другие, а среди древесных (эпифитных) — различные виды рода Usnea.
Влажность этих растений зависит от влажности воздуха и для полного увлажнения достаточно 2-4 мм осадков, однако уже на второй день после дождя она падает до 40-50 %. При таком уровне насыщенности влагой они могут гореть. В целом лишайники высыхают быстрее, чем мхи. Полное насыщение влагой у мхов и лишайников может составлять 300 %, а у сфагновых — до 400 %. При этом сфагнум может гореть при 100 % влажности [Нестеров, 1945].
Распределение радионуклидов в телах мхов и лишайников зависит от видовых особенностей этих растений и в меньшей степени определяется физико-химическими свойствами элемента или видом субстрата, на котором они произрастают. Это обусловлено тем, что радиоцезий и радиостронций наряду с их аналогами, кальцием и калием, участвуют во внекорневом питании мхов и лишайников [Куликов и др., 1976; Молчанова, Боченина, 1980; Тихомирова, 1983: Мамихин и др., 1994].
В зависимости от типа лесов на долю кустистых лишайников и зеленых мхов приходится от 9 до 40 % от общего количества наземных ЛГМ. В тесной связи с этим находятся и мощности их слоевищ. В одном и том же регионе нами отмечались кустистые лишайники ростом от 5-10 до 15-25 см, что зависело от влажности мест их произрастания. Кустистые лишайники в силу своего необычного для растений строения (симбиоз водоросли и гриба) менее плотны и более сорбционноемки по сравнению с мхами. Поэтому горят они быстрее и более высоким пламенем.
Отмечаемое в литературе двукратное превышение удельной активности 90Sr и 137Cs в лишайниках по сравнению со мхами [Поляков. Мельников, 1998] в некоторых случаях не подтверждается нашими исследованиями. С самого начала исследований северной пищевой цепочки «лишайник-олень-человек» была отмечена повышенная удельная активность 137Cs в верхних частях кустистых лишайников в сравнении с базальными [Любашевский и др., 1993; Моисеев, Рамзаев, 1975; Нижников и др.; 1969; Hanson, Palmer, 1965; Liden, Gusstafson, 1967 и др.] Поинтервальное изучение кустистых лишайников в Ямало-Ненецком АО в большинстве случаев показало повышенную активность радиоцезия в их нижних частях. В этом регионе под растущим лишайником практически всегда отмечается сгнившая масса самого лишайника, который, как нам представляется, логичнее относить к лесной подстилке. Обычно этот слой составляет не более 1-1,5 см и служит наиболее ярко выраженным геохимическим барьером на пути миграции искусственных радионуклидов. Например, удельная активность 137Cs в этом слое всегда на порядок-два выше, чем в нижних частях кустистых лишайников [Щербов и др., 2000; Щербов и др., 2001].
Имеются сведения о неодинаковом накоплении радионуклидов лишайниками какого-либо одного вида, произрастающими на различных породах. Экспериментами показана возможность поглощения радионуклидов лишайниками не только из воздуха, но и из почвы через нижние части подециев [Троицкая и др., 1971]. В связи с этим высказывается предположение [Нифонтова, 2000] о влиянии механического состава, структурных особенностей и специфики физико-химических свойств почвообразующего субстрата на механизмы поступления радионуклидов в лишайники из почв. Рассчитанная величина эффективного экологического полуочищения эпифитного лишайника от 137Cs составила 4 года, для напочвенных лишайников и мхов — 2 года [Троицкая, 1971]. Существуют данные для арктических лишайников, характеризующие эту величину в более широком диапазоне 3-13 лет [Liden, Gustafsson, 1967; Martin, Koranda, 1971]. В Чернобыльской зоне отмечается более активное поглощение радионуклидов эпифитами, чем эпигейными лишайниками. При этом воздействие высоких (в сотни и тысячи раз превышающих показатели до аварии) доз радиоактивности даже вблизи аварийного реактора не вызвало каких-либо визуально наблюдаемых аномалий в развитии слоевищ [Бязров. 1991].
Известно, что разные виды лишайников фиксируют радионуклиды в различных количествах [Троицкая., 1971; Kreuzer, Schauer, 1972; Нифонтова, 1997 и др.]. Нами показано большое различие в загрязненности радиоцезием различных видов эпигейных лишайников, произрастающих на ограниченных территориях в совершенно одинаковых ландшафтных условиях. В 1998 г на одной из площадок размером 10×10 м в Пуровском районе Ямало-Ненецкого АО около поселка Самбург собрана коллекция некоторых видов лишайников (их видовое определение проведено авторами по литературным источникам [Гарибова и др., 1978]), активность радиоцезия в которых различалась в 2,5 раза (l37Cs, Бк/кг): Alectoria ochroleuca — 58, Stereocaulon tomentosum — 56, Cladina stellaris — 70, Cladonia cornuta — 86, Cetraria islandica — 141, Cladina mifis — 144.
Конечно, единичная проба может дать искаженные сведения по характеру депонентных свойств того или иного вида лишайников по отношению к искусственным радионуклидам или каким-либо другим загрязнителям. Например, Cetraria islandica, занимающая в приведенной выборке второе место по уровню содержания 137Cs среди шести видов, в других местах того же района показывает самую низкую способность концентрирования этого радионуклида. Как будет показано ниже, существуют другие причины неоднородного распределения химических компонентов на небольших планшетах. К этому следует добавить и неоднозначное поведение элементов после выпадения их с атмосферными осадками.
Проведенные нами опыты по введению в верхние части лишайника Cladina cirbuscula растворов с содержанием Hg — 0,12, Cd — 0,19 и Pb — 12 мг/л в 2002 году показали через год резкое возрастание концентрации этих элементов в верхней и нижней частях талломов растения, а также в подстилке и песке. Через три года (2005 г.) содержание этих тяжелых металлов во всех перечисленных компонентах практически вернулось в прежнее состояние. Иными словами, очищение лишайника от высокотоксичных загрязнителей произошло за три года. При этом визуально заметных внешних изменений у лишайников не наблюдалось. При введении растворов непосредственно в подстилку (минуя лишайники) через год отмечено незначительное повышение содержания ртути и кадмия в верхних ризоидах лишайника с почти полным их исчезновением к 2005 г. В нижних ризоидах содержание всех токсикантов продолжало расти два года, затем стало снижаться. В подстилке концентрация их росла два года, затем стабилизировалась. Аналогичное поведение этих элементов отмечено и в песке, с той лишь разницей, что в конце эксперимента их содержание снизилось до исходного уровня. Конечно, данный эксперимент лишь в небольшой мере может соответствовать природному процессу в части поступления загрязнителей: в природе они попадают в лишайники медленно, в нашем эксперименте — ударно. Вполне возможно, что постепенное поступление из атмосферы каких-либо токсичных элементов может усваиваться лишайниками более прочно и, следовательно, на более длинные сроки.
Хвоя деревьев. По мнению многих исследователей, хвоя деревьев служит надежным индикатором антропогенного загрязнения природы, чем и объясняется повышенный интерес к ней со стороны исследователей поведения тяжелых металлов и искусственных радионуклидов в ландшафтах. Продолжительность жизни хвои зависит от возраста деревьев, высоты над уровнем моря, географического положения лесов. В верхней части дерева долговечность хвои ниже, с повышением рельефа она увеличивается, с севера на юг — снижается [Киргизов, 1981]. В условиях сильного атмосферного загрязнения опадение хвои наблюдается уже в первый год жизни [Ярмишко и др., 1967].
Говоря об индикаторных свойствах хвои относительно тяжелых металлов, следует отметить, что эти ее свойства гораздо ниже, чем у лесных подстилок, мхов и лишайников. Однако при исследованиях радиоактивного загрязнения хвоя представляет собой очень интересный объект: уровень содержания микроэлементов и искусственных радионуклидов, например, радиоцезия, четко зависит от возраста хвои. Это утверждение основано на результатах наших исследований во многих регионах Сибири.
При выпадении из атмосферы аэрозолей с искусственными радионуклидами загрязнение хвои в кронах молодых сосен уменьшается сверху вниз. В некоторых случаях степень загрязнения различается по ярусам в несколько раз. Высокая задерживающая способность хвои по отношению к искусственным радионуклидам (90Sr) была подтверждена экспериментально. После смыва радиоцезия чистой водой под давлением большая часть радиостронция оставалась на хвое [Пискунов и др., 1996]. Молодая хвоя более активно, чем старая, захватывает аэрозольные частицы, несущие на себе различные химические элементы, органические соединения и искусственные радионуклиды, например изотопы 137Cs [Ирклиенко и др.,1994]
Несмотря на то, что в наших дальнейших построениях хвоя не занимает определяющего положения, в районах работ она имеет весьма солидные запасы. К сожалению, привести их конкретную величину для каждого региона или хотя бы объекта не представляется возможным.
Кустарнички и травы в Сибири и на Дальнем Востоке характерны для лесных, не покрытых лесом площадей, возникших в результате вырубок и гарей. В пониженных участках хвойных лесов Западной Сибири нередко эти компоненты лесного биоценоза представляют собой основную часть наземных ЛГМ. В гористых районах распространены темнохвойные леса с преобладанием в покрове крупнотравных видов и папоротников.
Общеизвестна пожароопасность сухой весенней травы, из-за чего весенние палы иногда охватывают сотни гектаров в лесостепной зоне Сибири. По мере роста нового травяного покрова количество возникновений пожаров постепенно уменьшается. Различные виды трав и кустарничков играют разную роль при лесных пожарах: какая-то часть их усиливает пожары, другая замедляет распространение огня. Поэтому некоторые травы и кустарники могут быть применены при создании противопожарных защитных полос. Среди кустарников наиболее пожароопасны багульник и вереск [Курбатский, 1957]. В лесах Сибири запасы лишайников, мхов и подстилки в среднем составляют 11 т/га сухого вещества. Их мощность колеблется в очень широких пределах: в сосняках Западной Сибири их высота в среднем составляет 10 см. Однако в некоторых лесах Средней Сибири они значительно выше и могут достигать 15-25 см, а их запасы — 20-30 т/га [Samsonov е. а., 2005]. Подлесок и подрост в массу наземных ЛГМ вносят еще 5 т/га [Курбатский, 1957].
В большинстве случаев учет запасов лишайников, мхов, кустарников и трав на значительной территории какого-либо региона или даже в районе определенного пирологического объекта представляется весьма нелегкой задачей, особенно в местах их пятнистого распространения. Поэтому только лесная подстилка, подсчет запасов которой в каждом конкретном случае не составляет особого труда, может дать возможность произвести количественное определение эмиссии той или иной группы элементов при лесных пожарах. Важно подчеркнуть, что расчеты количества атмосферной миграции стабильных элементов и искусственных радионуклидов можно уверенно произвести только на основе сравнения их содержания в верхнем слое (5 см) почвенно-растительного покрова фоновой площади и горелых почв. А верхний слой в лесах Сибири, как правило, представлен лесной подстилкой. В большинстве обследованных нами районах данными по лишайникам, мхам или травам, попадающим иногда в пробу, можно пренебречь без особого ущерба для истины. Исключением из этого правила служат северные территории Западной Сибири, где отмечаются огромные площади, покрытые сплошным ковром кустистых лишайников. Но даже в этом случае объемные запасы лишайников на ограниченной точке отбора пробы стандартным кольцом (S=34 см2) несравнимы с лесными подстилками. Выше были приведены сравнительные данные плотности подстилок, мхов и лишайников.