Научный журнал
Успехи современного естествознания
ISSN 1681-7494
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,791

НОВЫЙ ПОДХОД К ЛЕСОПАТОЛОГИЧЕСКИМ ИССЛЕДОВАНИЯМ В ЗОНАХ РАДИОАКТИВНОГО ЗАГРЯЗНЕНИЯ

Гниненко Ю.И. 1 Калнин В.В. 1 Кучук В.А. 2 Марадудин И.И. 1 Мартынюк А.А. 1 Радин А.И. 1 Раздайводин А.Н. 1
1 ФБУ «Всероссийский НИИ лесоводства и механизации лесного хозяйства»
2 Филиал ФБУ «Российский центр защиты леса»
В статье рассматривается новый подход к изучению влияния радиоактивного загрязнения на развитие очагов вредных организмов в лесных экосистемах. Дается краткий обзор материалов по исследованиям санитарного состояния загрязненных лесов и воздействия ионизирующих излучений на вредные организмы. Предлагается использование методологического подхода оценки влияния радиоактивного загрязнения на возникновение и развитие очагов вредителей и болезней леса на основе статистического анализа больших выборок с использованием многолетних данных лесопатологических и радиационных обследований. Показано наличие влияния радиационного фактора на возникновение очагов вредных организмов. Установлено, что связь радиоактивного загрязнения с возникновением и развитием очагов может носить нелинейный и разнонаправленный характер в зависимости от вида патогена и уровней радиоактивного загрязнения. Приведены примеры влияния радиоактивного загрязнения цезием-137 чернобыльского происхождения на формирование очагов смоляного рака сосны (Peridermium pini (Willd.) Kleb.), корневой губки (Heterobasidion annosum Fr.), рыжего соснового пилильщика (Neodiprion sertifer Geoffr). Выдвинуто предположение, 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. Предложено выделить подобные исследования в новое направление радиационной экологии леса – радиационную лесопатологию.
радиоактивное загрязнение лесов
радиоэкология
радиационная лесопатология
защита леса
лесозащитные мероприятия
лесопатологический мониторинг
радиационный мониторинг лесов
1. INES. The international nuclear and radiological event scale. IATA 2008 Edition. Vienna, 2013. [Electronic resource]. URL: https://www-pub.iaea.org/MTCD/Publications/PDF/INES2013web.pdf (date of access: 01.08.2019).
2. Проблемы ядерного наследия и пути их решения. Вывод из эксплуатации / Под общ. ред. Л.А. Большова, Н.П. Лаверова, И.И. Линге. Т. 3. М., 2015. 316 с.
3. Криволуцкий Д.А., Тихомиров Ф.А., Фёдоров Е.А., Покаржевский А.Д., Таскаев А.И. Действие ионизирующей радиации на биогеоценоз. М.: Наука, 1988. 240 c.
4. Панфилов А.В. Майские хрущи и сопутствующие вредители корней в условиях радиоактивного загрязнения: автореф. дис. … канд. биол. наук. Москва, 1998. 24 с.
5. Жуков А.М. Динамика лесопатологического состояния древостоев на загрязненных радионуклидами территориях // В книге: Вопросы лесной радиоэкологии / Под ред. А.И. Чилимова. М., 2000. C. 137–169.
6. Вайсерман А.М., Кошель Н.М., Мехова Л.В., Войтенко В.П. Радиационный гормезис в экспериментальных исследованиях // Медицинская радиология и радиационная безопасность. 2011. Т. 56. № 4. С. 5–16.
7. Раздайводин А.Н., Радин А.И., Калнин В.В., Павлов  А.Н., Рябинков А.П., Карпов А.Д., Пророков А.А. Влияние ионизирующего излучения на развитие патогенных грибов рода Alternaria на семенах ясеня обыкновенного (Fraxinus excelsior L.) // Радиационные технологии в сельском хозяйстве и пищевой промышленности: состояние и перспективы: сборник докладов международной научно-практической конференции (Обнинск, 26–28 сентября 2018 г.). Обнинск: ФГБНУ ВНИИРАЭ, 2018. С. 114–117.
8. ГОСТ Р 57973-2017 Санитарная безопасность в лесах. Термины и определения. Применяется с 01.06.2018. [Электронный ресурс]. URL: http://docs.cntd.ru/document/1200157752 (дата обращения: 02.08.2019).
9. Приказ Министерства природных ресурсов и экологии РФ от 16.09.2016 № 480 «Об утверждении порядка проведения лесопатологических обследований и формы акта лесопатологического обследования» (с изменениями на 22 августа 2017 года). [Электронный ресурс] URL: https://base.garant.ru/71586766/ (дата обращения: 02.08.2019).
10. Ромашкин Д.Ю., Ромашкина И.В., Калнин В.В., Пророков А.А., Карпов А.Д. Морфогенетическая оценка биологической устойчивости лесных насаждений в условиях радиоактивного загрязнения // Лесной вестник. Forestry Bulletin. 2019. Т. 23. № 2. С. 84–91. DOI: 10.18698/2542-1468-2019-2-84-91.

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.

gnin1.tif

А

gnin1b.tif

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

gnin2.tif

Рис. 2. Зависимость формирования очагов корневой губки (Heterobasidion annosum Fr.)
на территории Брянской области от плотности загрязнения почвы цезием-137

gnin3.tif

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.


Библиографическая ссылка

Гниненко Ю.И., Калнин В.В., Кучук В.А., Марадудин И.И., Мартынюк А.А., Радин А.И., Раздайводин А.Н. НОВЫЙ ПОДХОД К ЛЕСОПАТОЛОГИЧЕСКИМ ИССЛЕДОВАНИЯМ В ЗОНАХ РАДИОАКТИВНОГО ЗАГРЯЗНЕНИЯ // Успехи современного естествознания. – 2019. – № 9. – С. 7-12;
URL: https://natural-sciences.ru/ru/article/view?id=37189 (дата обращения: 25.10.2021).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074