Деревний попіл як засіб зниження переходу 137Cs із ґрунту в рослини горобини звичайної (Sorbus aucuparia L.) та крушини ламкої (Rhamnus frangula L.) в лісових екосистемах Полісся України

Размещено на http://www.allbest.ru/

Деревний попіл як засіб зниження переходу 137Cs із ґрунту в рослини горобини звичайної (Sorbus aucuparia L.) та крушини ламкої (Rhamnus frangula L.) в лісових екосистемах Полісся України

Юрій Мандро

Михайло Вінічук

Анотація

деревний попіл горобина крушина

Показано вплив деревного попелу на перехід 137Cs із ґрунту в молоді пагони й листя горобини звичайної та крушини ламкої протягом періоду вегетації в лісових екосистемах Полісся України, забруднених радіонуклідами в результаті аварії на Чорнобильській АЕС. Здійснено порівняльний аналіз ефективності застосування калійного добрива, деревного попелу і їх поєднання як засобів зниження переходу радіоцезію з ґрунту в рослини в перший та другий рік після внесення.

Ключові слова: Sorbus aucuparia L., Rhamnus frangula L., 137Cs, період вегетації, деревний попіл, калійне добриво.

Аннотация

Мандро Юрий, Виничук Михаил. Древесная зола как средство снижения перехода 137Cs из почвы в растения рябины обыкновенной (Sorbus aucuparia L.) и крушины ломкой (Rhamnus frangula L.) в лесных экосистемах Полесья Украины. Заложен научный опыт в загрязненном радионуклидами лесу (примерно 70 км от Чернобыля) с применением калийсодержащих мелиорантов (древесный пепел, KCl) с целью исследования их способности влиять на поступление 137Cs в растения, типичные для лесных экосистем Полесья Украины. Показано влияние древесной золы на переход 137Cs из почвы в молодые побеги и листья рябины обыкновенной (Sorbus aucuparia L.) и крушины ломкой (Rhamnus frangula L.) в течение периода вегетации на радиоактивно зараженной в результате аварии на Чернобыльской АЭС территории. Проведен сравнительный анализ эффективности применения древесного пепла, калийного удобрения и их сочетания как средств снижения перехода радиоцезия из почвы в растения в первый и второй год после внесения. Проанализированы различия в скорости и качестве реакции исследуемых древесных пород на внесённые удобрения, которая очевидно связана с морфологическими особенностями растений. Отображены особенности накопления 137Cs вышеупомянутыми древесными породами в течение вегетационного периода на варианте без внесения удобрений («Контроль»).

Ключевые слова: Sorbus aucuparia L., Rhamnus frangula L., 137Cs, период вегетации, древесный пепел, калийное удобрение.

Summary

Mandro Yurii, Vinichuk Mykhailo. Wood ash as a Means of Reducing 137Cs Transfer From Soil to Plants Ofrowan (Sorbus Aucuparia L.) and Buckthorn (Rhamnus Frangula L.) in Forest Ecosystems of Ukrainian Polissya. The scientific experiment was laid in contaminated by radionuclides forest (about 70 km from Chernobyl) with applying potassium-containing fertilizers (wood ash, KCl and mix of them) to investigate their ability to influence on 137Cs uptake by plants typical for the forest ecosystems of Ukrainian Polissya. The effect of wood ash on 137Cs transfer from soil to young shoots and leaves of rowan (Sorbus aucuparia L.) and buckthorn (Rhamnus frangula L.) during the growing season in the radioactively contaminated area (as a result of the accident at the Chernobyl nuclear power plant) is represented. A comparative analysis of the efficiency of wood ash, potasrnm fertilizer, and combinations thereof, as a means to reduce radiocaesium soil-to-plants transfer during the first and second year after the application was made. The differences in the speed and quality of response of studied trees on applied fertilizers, which are obviously related to the morphological features of the plants, were analyzed. The features of 137Cs uptake by mentioned above tree species during the growing season on the treatment without any applied fertilizers («Control») are shown.

Key words: Sorbus aucuparia L., Rhamnus frangula L., 137Cs, growing season, wood ash, potash fertilizer.

Постановка наукової проблеми та її значення. Чорнобильська катастрофа істотно вплинула на стан довкілля більшості європейських країн. За підрахунками експертів, під час вибуху на четвертому енергоблоці ЧАЕС в атмосферу викинуто радіонукліди сумарною активністю понад 50 МКі. Лише випадіння радіоактивного цезію (137Cs) становили 15 ПБк у Білорусі, 13 ПБк в Україні й 29 ПБк у Росії. Решта, 27 ПБк, - в інших європейських країнах [1, с. 14-15]. Основний удар радіоактивного забруднення прийняли ліси, зігравши роль природних фільтрів. Оскільки масштабні контрзаходи в лісових екосистемах вивчалися мало та майже не проводились, останні й досі залишаються концентраторами радіоактивних випадінь. У результаті радіоактивного забруднення значні площі лісів були повністю або частково вилучені з господарського використання. Лише в Житомирській області радіоактивно забруднена площа лісів у 2011 р. складала 316,9 тис. га, або 42,4 % площі лісів [2, с. 224], ураховуючи очищення за рахунок фізичного розпаду радіонуклідів. З огляду на приведене вище очевидна потреба подальшого дослідження лісових екосистем й розробки контрзаходів для ефективного лісокористування та забезпечення безпеки харчування населення.

Аналіз досліджень цієї проблеми. Одним із таких заходів може бути внесення в ґрунт калійних добрив. Калій - хімічний аналог 137Cs і тому може конкурувати з цезієм при його надходженні в рослини [3]. Ефективність цього методу на сільськогосподарських землях достатньо добре вивчена [4] і цей прийом унесений до переліку контрзаходів при забрудненні орних земель [5]. Водночас ефективність використання калійних добрив в умовах лісових екосистем досліджено недостатньо. Результати окремих дослідів свідчать, що калійне удобрення може зменшувати надходження радіоцезію в окремі види лісових трав, чагарників, кущів, грибів та хвойних порід [6, 7]. Іншим методом може бути внесення деревного попелу (Попіл). Він містить 3-6 % калію й низку інших макро- та мікроелементів, які можуть впливати на міграцію радіонукліду в системі ґрунт-рослина. Ефективність використання золи з такою метою також недостатньо вивчено [8, 9].

Мета цієї роботи - дослідити та порівняти вплив внесення калійного добрива й деревного попелу, а також їх поєднання на надходження 137Cs із ґрунту в типові лісові рослини, такі як горобина звичайна (Sorbus aucuparia L.) та крушина ламка (Rhamnus frangula L.).

Виклад основного матеріалу й обґрунтування отриманих результатів дослідження. Дослід закладено в лісових екосистемах Базарського лісництва Народицького р-ну Житомирської області із щільністю радіоактивного забруднення за 137Cs 177-355 кБк/м2 (5-9 Кі/км2). Дослідні ділянки (200 м2) розміщено рендомізовано на площі близько 0,6 га. Схему досліду представлено чотирма варіантами: 1 - контроль (без унесення добрив); 2 - калійні добрива (KCl); 3 - деревний попіл (Попіл); 4 - деревний попіл (50 %) і калійні добрива (50 %) - Попіл+KCl. Добрива та попіл вносили одноразово методом розсіювання по поверхні ґрунту вручну у квітні 2012 р. з розрахунку 100 кг/га діючої речовини калію. Протягом першого року (2012) зразки листя й молодих пагонів горобини та крушини відбиралися щомісяця в період із травня по вересень уключно, а протягом другого року (2013) через місяць (травень, липень, вересень). Зразки висушено до повітряно-сухого стану, подрібнено та ретельно перемішано для набуття гомогенного стану й поміщено в пластмасові ємності (35 або 60 мл) для вимірювання вмісту Cs137. Грунт відбирали металевим пробовідбірником із діаметром 57 мм і довжиною робочої частини 150 мм. Після висушування до повітряно-сухого стану ґрунт розмелювали в ступці та просіювали через сито 2 мм, після чого поміщали в такі ємності, як для рослин. Вимірювання питомої активності 137Cs проводили, використовуючи HPGe і NaI-детектори. Час вимірювання кожного зразка забезпечував досягнення похибки не більше 5 % і тривав не довше 24 годин. Результати вимірювання оброблено за допомогою програм Windas, Microsoft Excel та Minitab (Minitab® 16.2.4Inc.). Коефіцієнт переходу (КП) радіоцезію з ґрунту в листя й молоді пагони обчислювали за формулою:

де: Am - питома активність 137Cs в одиниці сухої маси горобини/крушини (Бк/кг);

As - щільність забруднення ґрунту 137Cs (Бк/м2).

У результаті досліджень установлено, що протягом першого року (2012) спостерігали коливання значень КП 137Cs для горобини й крушини як у бік зниження, так і підвищення відносно контролю (рис. 1). Найінтенсивніше надходження радіоцезію в обох рослин на всіх варіантах збігається з періодами цвітіння (травень - для горобини та травень-червень - для крушини). Варіант «Попіл+KCl» відрізняється явним зниженням КП для горобини, яке спостерігали вже протягом першого року після внесення добрив (зниження на 23 % у травні, 41 % - у липні й 42 % - у вересні 2012) і тривало протягом другого року досліджень (зниження на 59 % у травні, 42 % - у липні та 52 % - у вересні 2013) (рис. 1; 2). Для крушини тенденція зниження КП 137Cs на цьому ж варіанті була слабовираженою (лише в травні на 16 % і серпні - на 31 %) 2012 р., але добре помітна у 2013 (31 % - у травні, 44 % - у липні та 34 % - у вересні) (рис. 2). Помітний ефект зниження КП на варіанті «Попіл» для крушини ламкої в другій половині періоду вегетації 2012-2013 рр. Так, у липні та серпні 2012 р. зниження становило 25 % і 19 % (рис. 1), у липні й вересні 2013 р. - відповідно, 4 % і 13 % (рис. 2). Для горобини звичайної на цьому варіанті незначне зниження КП 137Cs помічено у 2012 р., а саме: 16 % - у липні, 6 % - у серпні та 14 % - у вересні (рис. 1). Позитивний ефект застосування калійного добрива (варіант «KCl») спостерігали для обох видів рослин лише на наступний рік після внесення. Для горобини у 2013 р. зниження КП 137Cs складало 49 % у травні, 30 % - липні та 20 % - у вересні, а для крушини - відповідно, 21; 31 і 9 % (рис. 2). Протягом першого року ефекту зниження КП 137Cs для обох рослин на цьому варіанті не виявлено. Більше того, унесення KCl спричинило незначні підвищення КП 137Cs (у червні й серпні - для горобини, у липні та вересні - для крушини) у 2012 р. Отже, ефективність унесення добрив і попелу виявилася різною. Поєднання калійних добрив і попелу забезпечує ефект зниження надходження радіоцезію в досліджувані деревні породи вже в перший рік після їх унесення. На другий рік після внесення добрив та попелу позитивний ефект їх комбінованого застосування підсилюється. Ефективність унесення попелу виявилася дещо нижчою. Калійне добриво спричиняє коливання КП 137Cs для обох рослин як у бік зростання, так і зниження протягом першого року й чітко виражене зниження КП протягом наступного.

Рис. 1. Середні значення (п = 3-4) КП I37Cs із ґрунту в листя та молоді пагони горобини звичайної (Sorbus aucuparia L.) та крушини ламкої (Rhamnus frangula L.) протягом 2012 р.

** Дані представлено двома повторностями.

Рис. 2. Середні значення (п = 3-4) КП I37Cs із ґрунту в листя та молоді пагони горобини звичайної (Sorbus aucuparia L.) і крушини ламкої (Rhamnus frangula L.) протягом 2012-2013 р.

* Дані представлено однією повторністю;

** дані представлено двома повторностями.

Різна ефективність добрив для досліджуваних порід дерев, імовірно, може бути пояснена фізіологічними та морфологічними особливостями дерев, оскільки істотна різниця в надходженні радіоцезію помітна навіть на контрольному варіанті (рис. 3). Так, відомо, що коренева система горобини звичайної стрижнева, але на третьому році головний корінь губиться внаслідок великої кількості бічних коренів, розміщених переважно на глибині 30-60 см. У віці 10 і більше років бічні корені поширюються майже горизонтально на відстань 5-6 м, заглиблюючись не більше ніж на 0,5 м. Найбільша щільність коріння горобини в перерахунку на 1 м3 ґрунту міститься на першому метрі по горизонталі й 0-20 см по вертикалі [10, 11]. Отже, кореневу систему горобини умовно можна вважати поверхневою. Коренева система крушини ламкої - стрижнева (хоча головний корінь відмирає на стадії сіянців і подальший розвиток відбувається за рахунок бічних коренів), глибока, слаборозгалужена, у 2-3 рази перевищує довжиною висоту надземної частини [12, 13]. Крім того, відомо, що коренева система горобини утворює мікоризу з арбускулярними грибами [14], у той час як для крушини цей факт суперечливий [12]. Розміщення кореневої системи горобини ближче до поверхні ґрунту та радіальне поширення може сприяти порівняно швидкому надходженню елементів живлення з ґрунту в рослини. Очевидно, що у випадку деревних порід, кореневі системи яких відрізняються, для досягнення ефекту від унесення добрив потрібен різний проміжок часу.

Рис. 3. Порівняння коефіцієнтів переходу І37Єз із ґрунту в листя й молоді пагони горобини звичайної та крушини ламкої на контрольному варіанті протягом вегетації

Варто зазначити, що вплив погоди на відмінності в результатах першого й другого років дослідження малоймовірний, оскільки, за даними Житомирського обласного центру з гідрометеорології, довготривалих аномальних відхилень від норми протягом 2012-2013 рр. не помічено (рис. 4). Тому, найімовірніше, відмінність коефіцієнтів переходу радіоцезію у вказані роки обумовлена саме внесеними меліорантами.

Рис. 4. Режим погоди на досліджуваній території протягом сезону вегетації 2012-2013 рр.

Відомо, що разове внесення калійних добрив у лісових екосистемах у тих же дозах сприяє зниженню концентрації 137Cs у рослинах вересу, брусниці та чорниці вже в перший рік [15]. Дослідження, проведені у Фінляндії та на Маршалових островах, які стосувалися хвойних і тропічних фруктових порід, підтверджують позитивний ефект унесення калійних добрив [7, 16]. Деревний попіл (отриманий, як побічний продукт господарської діяльності чи утворений контрольованим випалюванням радіоактивно забрудненого лісу) також спричиняв довготривалий ефект зниження переходу 137Cs із ґрунту в лісові рослини [8, 9].

Висновки та перспективи подальшого дослідження. Ґрунтуючись на результатах дворічних досліджень, можна зробити такі висновки:

Поєднання меліорантів («Попіл+KCl») виявилося значно ефективнішим, ніж використання будь-якого з них окремо. Для деяких видів деревних порід позитивний ефект унесення «Попіл+KCl» помітний уже в перший рік (горобина), для інших він може проявлятися дещо пізніше (крушина).

Унесення калійних добрив (KCl) зменшує надходження радіоцезію для горобини та крушини лише на другий рік після внесення. У перший рік на дослідному варіанті помічено навіть незначні перевищення КП 137Cs, порівняно з контролем.

Позитивний ефект унесення деревного попелу в розрахунку 100 кг(К)/га помітний для обох видів дерев лише із середини вегетації (липень) і найкращий результат показує в кінці вегетації (вересень).

З огляду на такі результати доцільно детальніше дослідити ефект сумісного використання калійних добрив та попелу, а також можливості його (попелу) застосування для зниження переходу радіоцезію в лісові рослини й гриби.

Джерела та література

1. Smith J.T. Chernobyl-Catastrophe and Consequences / J.T. Smith, N.A. Beresford. - B.: Praxis Publishing Ltd, Chichester, UK, 2005. - 310 p.

2. Орлов О.О. Радіоактивне забруднення продукції побічного користування лісом у Житомирській області за даними радіологічного контролю 2011-2012 рр. / О.О. Орлов, О.В. Тарасевич, В.П. Косинськи // Вісник ЖНАЕУ. - 2013.

3. Bataitiene I.P. Evaluation of 137Cs and 90Sr transfer from soil to Scots Pine (Pinus sylvestris L.) by heir discrimination coefficients / I. P. Bataitiene, D. Butkus // The 8 th International Conference «Environmental engineering». - Vilnius: Lithuania. 2011.

4. Rosen K. Potassium fertilization and 137Cs transfer from soil to grass and barley in Sweden after the Chernobyl fallout / K. Rosen, M. Vinichuk, J. Environ // Radioact. - 2014. - V. 130. - P. 22-32.

5. Ведення сільського господарства в умовах радіоактивного забруднення території України внаслідок аварії на Чорнобильській АЕС на період 1999-2002 рр.: метод. рек. - К., 1998.

6. Effect of potassium application in forest soil on 137Cs levels in plants and fungi / [K. Rosen, M. Vinichuk, T. Nilsson et al.] // International Conference on Radioecology and Environmental Radioactivity. - Canada, 2011.

7. Aro L. Long-term effect of fertilization on 137Cs concentration in Scots pine needles / L. Aro, A. Rantavaara // ICRER 2011 - International Conference on Radioecology & Environmental Radioactivity - Environment & Nuclear Renaissance. - Canada, 2011.

8. Does wood ash application increase heavy metal accumulation in forest berries and mushrooms? / [M. Moilanen, Fritze, M. Nieminen et al.] // J. Forest Ecology and Management. - 2006. - V. 226. - P. 153-160.

9. Levula T. Effects of ash fertilization and prescribed burning on macronutrient, heavy metal, sulphur and 137Cs concentrations in lingonberries (Vaccinium vitis-idaea) / T. Levula, A. Saarsalmi, A. Rantavaara // J. Forest Ecology and Management. - 2000. - V. 126. - P. 269-279.

10. Какая корневая система у рябины? [Электронный ресурс]. - Режим доступа: URL: http://otvet.mail.ru/ question/75539331.

11. Рябина обыкновенная - Биологические особенности [Электронный ресурс]. - Режим доступа: URL: http://yagodovodstvo.ru/ryabina-obyknovennaya-biologicheskie-osobennosti.html.

12. Аксенова Н.А. Биологическая флора Московской области / Н.А. Аксенова. - Киев: Изд-во Моск. унта, 1978. - Вып. 4.

13. Крушина (морфологические особенности) [Электронный ресурс]. - Режим доступа: URL :http://www. valleyflora.ru/krushina-morfologicheskiye-osobennosti.html.

14. Sorbus aucuparia [Electronic Resource]. - Mode of access: URL :http://memim.com/sorbus-aucuparia.html. - Title from the screen.

15. Long-term effect of a single potassium fertilization on 137Cs levels in plants and fungi in a boreal forest ecosystem / [K. Rosen, M. Vinichuk, I. Nikolova, K. Johanson] // J. Environ. Radioact.- 2011. - V. 102(2). - P. 178-184.

16. Long-term reduction in 137Cs concentration in food crops on coral atolls resulting from potassium treatment / [W.L. Robison, E.L. Stone, T.F. Hamilton, C.L. Conrado] // J. Environ. Radioact. - 2006. - V. 88. - P. 251-266.

Размещено на Allbest.ru