Использование атомной энергии, как в военных, так и в мирных целях, привело к загрязнению окружающей среды радионуклидами искусственного происхождения. Основными источниками поступления радионуклидов в экосистемы послужили ядерные испытания и радиационные инциденты 3–7 уровней по шкале событий
МАГАТЭ [1], связанные с выходом загрязнения за пределы полигонов и промышленных площадок. Наиболее крупными из них являются: взрыв в хранилище высокоактивных жидких радиоактивных отходов на ПО Маяк в 1957 г, аварии на Чернобыльской АЭС в 1986 г. и АЭС Фукусима в 2011 г.
Большинство этих аварий носили характер «сельских» [2]. Они привели к значительным загрязнениям агроценозов и лесных экосистем. По состоянию на 2019 г. к зонам радиоактивного загрязнения на территории России отнесено около 1 млн га земель лесного фонда. Основной вклад в загрязнение лесов в настоящее время вносят техногенные изотопы цезий-137 и стронций-90.
В период до чернобыльской аварии проводились лабораторные исследования по воздействию ионизирующих излучений на модельные и некоторые хозяйственно значимые виды патогенных организмов, изучались генетические и популяционные показатели, оценивались дозы подавления, стерилизации и гибели, рассматривалось применение ионизирующих излучений для контроля численности вредителей. Не проводилось комплексных исследований влияния радиоактивного загрязнения на санитарное состояние лесов и развитие очагов вредных организмов.
Наиболее интересными были работы по искусственному облучению лесных участков [3], в которых в том числе оценивалось поведение насекомых-вредителей. Однако условия эксперимента (облучение лесного участка от внешнего мощного источника) значительно отличались от последствий аварийного загрязнения (долговременное облучение от включенных в биологический круговорот и динамически перераспределяемых радионуклидов в лесах, загрязненных в результате аварий), а непосредственное примыкание к неповрежденным насаждениям вносило дополнительные погрешности в результаты.
Авария на Чернобыльской АЭС потребовала срочной разработки нормативных документов по осуществлению защитных мероприятий (контрмер), что привело к необходимости проведения прикладных исследований в полевых условиях. В период с 1986 по начало 2000-х гг. рядом исследователей (Ю.Д. Абатуров, А.М. Жуков, В.В. Жуков, Г.М. Козубов, Д.А. Криволуцкий, Н.Д. Кучма, Г.В. Линдеман, А.В. Панфилов, Е.Н. Панфилова, Ф.А. Тихомиров и др.) изучались последствия радиоактивного загрязнения вследствие аварии на ЧАЭС для лесных экосистем. Было оценено санитарное состояние лесов в 30-км зоне отчуждения. Исследован видовой состав дендрофильных насекомых. Установлено, что резкое ухудшение санитарного состояния в сосновых древостоях наступает при плотности радиоактивного загрязнения свыше 600 Ки/км2. Выдвинуты предположения о возможном отрицательном воздействии насекомых-вредителей на процесс восстановления ослабленных ионизирующим излучением насаждений. Показано, что принципиальных изменений в видовом составе и популяционных характеристиках, однозначно связанных с радиационным фактором, в зонах загрязнения не отмечается. Установлено значимое влияние на патогенные организмы изменения режимов хозяйственной деятельности [4, 5].
Большинство исследований затрагивали отдельные виды или группы видов, либо санитарное состояние насаждений в зонах радиоактивного загрязнения. После выхода работы А.М. Жукова «Динамика лесопатологического состояния древостоев на загрязненных радионуклидами территориях» [5] крупных системных исследований в области защиты леса в условиях радиоактивного загрязнения не публиковалось.
Материалы и методы исследования
В литературных источниках хорошо описано явление гормезиса – стимулирующего эффекта умеренных доз стрессоров, или, по определению авторов этого термина, «стимулирующего действия субингибирующих концентраций любого токсического вещества любого организма», в том числе радиационного гормезиса при воздействии малых доз радиации [6]. Наши исследования в опытах по искусственному облучению фитопатогенных грибов показали, что может наблюдаться картина общего адаптационного синдрома (ОАС) и изменения стрессовой реакции организма (СРО) по Г. Селье [7].
Осуществляемые в соответствии с Лесным кодексом РФ лесопатологические обследования предусматривают выявление очагов вредных организмов [8, 9]. В процессе основной деятельности филиалов ФБУ «Рослесозащита» накапливаются многолетние данные о выявленных очагах. Это позволило ФБУ ВНИИЛМ совместно с Центром защиты леса Калужской области объединить данные об очагах вредных организмов и радиоактивном загрязнении лесных участков на примере лесов Брянской области. Объем базы данных составил более 80 000 записей с глубиной наблюдений более 10 лет.
Большое количество наблюдений позволяет использовать широкий диапазон статистических методов и получать высокую достоверность результатов.
Результаты исследования
и их обсуждение
Для предварительного анализа массива объединенных данных лесопатологических и радиологических обследований были использованы непараметрические методы. Полученные значения рангового (непараметрического) гамма-коэффициента корреляции между плотностью радиоактивного загрязнения и повреждающими факторами для основных лесообразующих пород показали, что многие выявленные связи с большой вероятностью могут рассматриваться как реально существующие. Дальнейший анализ позволил впервые выявить достоверные связи и устойчивые тренды между возникновением очагов ряда хозяйственно значимых видов насекомых-вредителей и болезней с плотностью загрязнения почвы лесных участков цезием-137.
Были получены зависимости частоты встречаемости очагов вредных организмов (относительно общего количества обследованных участков, на которых присутствовала повреждаемая древесная порода), от плотности загрязнения почв лесных участков цезием-137. Некоторые результаты поведения вредных организмов, поражающих сосну обыкновенную (Pinus sylvestris L.), приведены далее.
Смоляной рак сосны (Peridermium pini (Willd.) Kleb.) демонстрирует устойчивую отрицательную зависимость возникновения очагов с плотностью загрязнения почвы, хорошо описываемую кривой двухкомпонентной зависимости доза – эффект (рис. 1, А):
S1 = 554,31*0,99/(1 + 10^((-364,35 - v1)*(-0,01))),
S2 = 554,31*(1 - 0,99)/
(1 + 10^((751,84 - v1)*(-0,09))),
S = 8,99E + S1 + S2,
где v1 – плотность загрязнения почвы цезием-137, кБк/м2;
S – частота встречаемости очагов Peridermium pini (Willd.) Kleb. относительно к общему количеству обследованных участков, на которых присутствует повреждаемая порода.
Как видно из рис. 1, Б, полученная кривая хорошо описывает экспериментальные данные. Корреляция между ожидаемой (расчетной) и фактической вероятностью возникновения очагов очень высока – коэффициент детерминации r2 = 0,9477, уровень значимости p < 1*10-4.
На графике (рис. 1, А) хорошо выделяются две ступени, при плотности загрязнения почвы около 100 кБк/м2 (2,7 Ки/км2) и свыше 800 кБк/м2 (21,6 Ки/км2), позволяющие сделать вывод о значимом влиянии радиационного фактора уже вблизи нижней границы официально выделяемой зоны радиоактивного загрязнения – 37 кБк/м2 (1 Ки/км2).
Корневая губка на сосне демонстрирует устойчивую положительную связь возникновения очагов с плотностью радиоактивного загрязнения лесных участков (рис. 2).
Рыжий сосновый пилильщик показывает устойчивый обратный тренд. Поскольку линейный тренд не достигает порога достоверности (рис. 3), дополнительно был проведен расчет с использованием натурального логарифма почвенного загрязнения:
y = 0,122 – 0,0191*Ln(x);
r = -0,5821; p = 0,0089; r2 = 0,3389
Звездчатый ткач пилильщик не выявлен в условиях радиоактивного загрязнения. Сосновая губка демонстрирует индифферентность к фактору загрязнения.
Полученные результаты согласуются с отмечаемой многими исследователями нелинейностью зависимости доза – эффект, подтвержденной нами в экспериментах по искусственному облучению семян и патогенных грибов [7]. К аналогичным выводам позволяют прийти результаты морфогенетических исследований, показавшие наибольшую чувствительность в области низких и средних уровней загрязнения [10].
Установлено наличие связей между плотностью загрязнения цезием-137 почв лесных участков и развитием патогенных организмов. Эти связи могут носить нелинейный и разнонаправленный характер в зависимости от уровня загрязнения. Анализ литературных данных, результаты наших полевых наблюдений и характер выявленных связей позволяет предположить, что радиационный фактор оказывает значимое влияние на формирование очагов вредных организмов и реализуется через комплексное воздействие, включающее:
– прямое влияние ионизирующего излучения на организм и популяцию патогена;
– косвенное влияние через воздействие излучения на другие виды лесных экосистем и их связи;
– влияние через изменения режима хозяйственной деятельности, связанные с условиями радиоактивного загрязнения.
А
Б
Рис. 1. Распределение частот встречаемости очагов смоляного рака сосны (Peridermium pini (Willd.) Kleb.) в зависимости от плотности радиоактивного загрязнения почвы:
А – Кривая двухкомпонентной зависимости доза – эффект;
Б – Корреляция между ожидаемой (расчетной) и фактической вероятностью
Рис. 2. Зависимость формирования очагов корневой губки (Heterobasidion annosum Fr.)
на территории Брянской области от плотности загрязнения почвы цезием-137
Рис. 3. Зависимость формирования очагов рыжего соснового пилильщика (Neodiprion sertifer Geoffr) на территории Брянской области от плотности загрязнения почвы цезием-137
Таким образом, влияние радиоактивного загрязнения должно учитываться при осуществлении лесохозяйственной деятельности в загрязненных лесах, в том числе при лесопатологических обследованиях и осуществлении санитарно-оздоровительных мероприятий.
Выводы
Предложенный методический подход основывается на большом количестве (десятки тысяч) данных многолетних наблюдений, осуществляемых в ходе лесопатологических и радиационных обследований лесов. Он позволяет оценить влияние и значимость радиационного и других факторов на возникновение очагов патогенных организмов.
Полученные результаты позволяют установить наличие связей между плотностью загрязнения цезием-137 почв лесных участков и развитием патогенных организмов. Выявленные связи с большой вероятностью (95 %) могут рассматриваться как реально существующий факт (уровень p-значимости менее 5 % (0,05)). Исследуемая выборка хорошо отражает генеральную совокупность, и обнаруженные связи не могут быть подвергнуты сомнению.
Полученные результаты позволяют по-новому взглянуть на взаимодействие живых организмов лесных экосистем между собой и с окружающей средой в условиях техногенного радиоактивного загрязнения (долговременного хронического облучения). Они позволяют выделить новое направление лесной радиоэкологии, изучающее влияние радиоактивного загрязнения и ионизирующих излучений на санитарное состояние лесных экосистем и развитие очагов патогенных организмов – радиационную лесопатологию Дальнейшее углубленное исследование влияния радиоактивного загрязнения на основные хозяйственно значимые виды вредителей и болезней необходимо для повышения эффективности защитных мероприятий и предотвращения негативных тенденций трансформации лесных экосистем.