СПОСОБ РАДИАЦИОННОГО МОНИТОРИНГА ЭКОСИСТЕМ ПО БИОИНДИКАЦИИ РАДИОАКТИВНОГО ЗАГРЯЗНЕНИЯ ТЕРРИТОРИЙ ПО ФИТОКОМПОНЕНТУ Российский патент 2000 года по МПК A01G23/00 G01N33/00 

Способ относится к области экологии и предназначен для исследования и анализа радиационными методами радиоактивного загрязнения экосистем по состоянию растительности, запасу питательных элементов, вовлеченных в вещественно- энергетический баланс системы, и содержанию радионуклидов в растениях (1-10).

Известны системы экологического мониторинга города или региона (11). К их недостаткам можно отнести технический характер исполнения, что снижает возможности проведения наблюдений и контроля за окружающей средой.

Этих недостатков лишены способы мониторинга экосистем, основанные на проведении наблюдений по биологическим объектам (1). Так известно, что при хроническом поступлении радионуклидов при глобальных и техногенных выпадениях растения являются первыми приемниками изотопов. В стандартных радиологических расчетах принято, что первичное задерживание радиоактивных выпадений травяной растительностью составляет 25% (2), а древесным ярусом, формирующим мощный биологический фильтр - до 100%.

Высокая фильтрационная способность лесов может стать источником их повышенного облучения, а при высоких дозах причиной их радиационных повреждений.

Комплексные оценки развития фитоценозов в местах радиационных нагрузок на основе систем слежения - необходимое звено в мониторинге, которое позволяет не только оценить качество среды эксплуатируемой территории, но и дать прогноз развития систем. Основные критерии слежения - сложность фитоценоза и запас элементов питания в нем - отражают структуру и функционирование экосистемы. Показателями радиационной нагрузки являются деградация или упрощение фитоценоза и истощение запаса питательных элементов, вовлеченных в вещественно-энергетический баланс системы (3). Запас элементов питания растительности слагается из суммы химических и радиоактивных элементов, рассредоточенных во всех компонентах системы: почве, воде, воздухе, растениях и животных.

Первым этапом в создании системы слежения за состоянием фитоценоза является его описание. На основе описания строится система опробования, т.е. отбора представительных проб для определения запаса элементов питания (4).

Целью нового способа является улучшение контроля за состоянием окружающей среды, подверженной техногенному воздействию, за счет использования методов биоиндикации при мониторинге экосистем.

Новый способ включает в себя проведение следующих видов работ: заложение пробной площади, описание фитоценоза с записью в специально разработанном бланке, отбор проб, гербаризацию и приготовление проб. Способ состоит из 2-х этапов - полевого (заложение пробной площади, описание фитоценоза, отбор проб, гербаризацию) и лабораторного (определение неизвестных растений, формирование гербария эталонных растений и приготовление проб) (4 - 6).

Аналогом данного способа является монография "Миграция радионуклидов в лесных биогеоценозах" (1). Новым в способе является то, что описание фитоценозов осуществляется в специально разработанном бланке, при этом описание фитоценоза и отбор проб проводится в период максимального накопления фитомассы, например для подзоны хвойно-широколиственных лесов с 20 июля по 10 сентября. Подготовка к отбору и приготовлению проб заключается в заложении пробной площади, для чего закладывают пробный участок, размеры которого соответствуют площади выявления фитоценоза, размеры пробной площади задают для травяных сообществ - 100 м² для лесных умеренной зоны - 400 м². Пробные площади закладываются в форме квадрата. В фитоценозах, имеющих вид узких полос (на склонах, в поймах, оврагах и т.д.), пробные площади задают в форме прямоугольника. Размеры пробной площади отмечают рулеткой или заранее подготовленной веревкой с метками. Границы пробной площади отмечают по углам колышками или другими заметными ориентирами: обычно полосками красной или белой ткани.

Затем проводят описание растительности на пробной площади, запись, осуществляют в специально разработанном бланке. Описание начинают с характеристики условий местообитания: указывают местоположение, административный адрес, характер макро- и мезорельефа. Описание древостоя начинают с определения состава древостоя и сомкнутости крон. Состав древостоя выражают в виде формулы по 10 бальной шкале. Общее число стволов на пробной площади принимаются за 10. (Древесные породы, образующие древостой, обозначаются первыми буквами своего названия: Е - ель, Б - береза, О - осина, Ол - ольха и т.д. Коэффициенты, стоящие перед названием породы, показывают участие в древостое; например, формула 6Д4Лп показывает, что древостой образован дубом на 60% и липой на 40%, а формула 10Б показывает, что древостой сформирован одной березой. Если участие породы в древостое меньше единицы, то ее присутствие в формуле древостоя отмечается знаком +: 10Е + Б, 5СЗЕ2Б + Ос).

Далее описывают сомкнутость крон - это площадь проекций крон деревьев на горизонтальную поверхность. При определении сомкнутости крон учитывают долю проекций крон и долю просветов: при этом не учитывают ажурность самих крон. Степень сомкнутости крон определяют глазомерно в десятых долях от единицы. За единицу принимается такая сомкнутость, при которой кроны деревьев примыкают друг к другу таким образом, что между ними практически нет просветов, или, если они есть, то занимают всего 0,1 всей площади. (степень сомкнутости крон 0,7 показывает, что на долю проекций крон приходится 70 % площади; а на долю просветов - 30% площади.) Сомкнутость крон определяют на всей пробной площади, оценивая ее в разных местах, и в бланк описания вносят общее заключение. При более детальных исследованиях оценивают степень сомкнутости крон каждого яруса древостоя отдельно.

Характеристика, пород деревьев дается по ярусам растительности - первоначально определяется видовой состав деревьев, образующих тот или иной ярус, затем высота и возраст деревьев, диаметр стволов и высота прикрепления крон. Так например, в лесу, где выделены три яруса древостоя, первый ярус - самый высокий. При этом высоту дерева определяют визуально - глазомерно или с помощью высотомера или эклиметра. Высота задается в метрах (м). Диаметр стволов измеряют мерной вилкой или вычисляют после измерения длины окружности ствола портновским метром (мягкой сантиметровой лентой). Диаметр стволов записывают в сантиметрах (см). Высоту прикрепления крон отмечают в метрах (м). Возраст деревьев определяют путем пересчета годовых колец на спиленных стволах, на пнях, или на пробах древесины, взятых специальным буравом Пресслера. Количество стволов определяют прямым пересчетом на площадке размером 2х2 м в пределах пробной площади для определения продуктивности древостоя.

Описание кустарникового яруса также начинают с определения сомкнутости крон и видового состава. Затем для каждого вида указывают его характеристики: высоту, густоту, обилие, степень участия, фенофазу. Обилие оценивается как по шкале Друде, так и по шкалам, модифицированным на основе этой шкалы (7). Фенологическое состояние вида отмечают значком или сокращенными буквенными обозначениями.

Травяной и травяно-кустарничковый ярус характеризуется проективным покрытием, истинной задернованностью, аспектом фитоценоза, составом травостоя и отдельными характеристиками видов. При определении проективного покрытия наблюдатель смотрит сверху вниз и учитывает проекции растений по отношению ко всей площади. Проективное покрытие выражается в процентах. Например, проективное покрытие 100% показывает, что поверхность почвы покрыта сплошным покровом надземных частей растений без просветов, а при проективном покрытии, равном 40%, на поверхности почвы имеются просветы от растений, составляющие 60% общей площади. При маршрутных описаниях оценивают общее проективное покрытие всех видов травостоя, а при стационарных исследованиях определяют проективное покрытие каждого вида. Истинное покрытие отражает задернованность почвы и определяется как сумма проекций на горизонтальной поверхности почвы оснований стеблей растений. Степень задернованности почвы всегда меньше проективного покрытия и выражается в процентах. Аспект фитоценоза определяется по цвету и состоянию травяно-кустарничкового яруса и представляет собой внешний вид фитоценоза, его физиономичность в каждый конкретный момент времени. Флористический состав травостоя включает подробный перечень всех встреченных на пробной площади видов растений с указанием обилия, высоты, фенофазы. Список видов составляют, начиная прохождение пробной площади от одного угла по диагонали к другому, затем обходят пробную площадь по периметру вдоль всех сторон, записывая все попадающие в поле зрения растения. При встрече незнакомого растения ему присваивают индекс и под этим условным знаком вносят в бланк описаний, а само растение с индексом закладывают в гербарную папку. После идентификации растения в камеральных условиях в бланк вносят правильное название растения. Обилие вида указывают по шкалам Друде или Браун-Бланке. Фенологическое состояние фиксируют значком фенофазы.

Характер размещения вида на площади указывают либо отдельно, либо в графе "Обилие". Для обозначения неравномерного размещения растений используют следующие значки: gr (gregaria) гр.- растение встречается более или менее плотными группами, cum (cumulae) или обл.- растение встречается редкими (облачными) скоплениями, среди которых много примеси других видов.

Характеристику возобновления проводят либо сразу после оценки состояния древостоя, либо после характеристики всех ярусов. Под возобновлением принимают совокупность всходов и подроста древесных пород, которые не образуют отдельного яруса. Всходы - одно- двухлетние деревца высотой до 10 см, более высокие деревья принято считать подростом. К подросту относят деревья, достигшие высоты не более половины высоты взрослого дерева. При характеристике возобновления отмечают сомкнутость крон и число стволов на пробных площадях размера 2х2 или 5х5 м, а обилие задают в условных единицах: обильное, редкое, единичное; состояние: хорошее, удовлетворительное, угнетенное.

При характеристике мохово-лишайникового покрова, определяющего процессы трансформации веществ, указывают проективное покрытие в процентах, видовой состав, дают характеристику каждому виду: степень его проективного покрытия, обилие и особенность размещения на пробной площади.

Эпифиты или внеярусные растения: лишайники на деревьях, лианы, характеризуются видовым составом и оценкой их встречаемости, указывают высоту прикрепления и вид дерева.

В заключении описания отмечают общие замечания по состоянию фитоценоза, указав первичность или вторичность происхождения ценоза, степень нарушенности, влияние человека, хозяйственное использование, индикационную роль растений, обобщают условия среды. На составление одного геоботанического описания отводят 1 час 30 минут.

Новым является и отбор проб растений для радиометрического и спектрального анализов, которые проводят как для контроля содержания в растениях токсичных веществ, так и для определения общего запаса химических элементов, составляющих банк элементов питания в фитоценозе (3,8). Пробы отбирают с учетом видовой дифференциации растений и полного охвата представителей всех жизненных форм, т.е. древесных, кустарниковых, травяно-кустарничковых, мхов и лишайников, кроме того, производят отбор пробы с субстрата их произрастания. Для древостоя отбор проб производят по предварительно отмеченным видам. Пробу одного вида, например березы, отбирают со всех экземпляров на пробной площади и получают одну объединенную пробу, для чего секатором с каждого дерева (березы) срезают нижние ветви с листьями и тщательно перемешивают. Для анализа отбирают 1 кг образца, который упаковывают в бумагу и маркируют. В случае, если древостой сформирован деревьями с высотой прикрепления крон выше 10 м, пробы отбирают с возобновления этих пород. Одна проба соответствует одному виду растения.

Отбор проб в кустарниковом ярусе производят по видам, образующим этот ярус. Ветки с листьями одного вида кустарника отбирают со всех экземпляров, произрастающих в пределах пробной площади. В случае, если на пробной площади густота произрастания какого-либо вида или группы видов кустарников очень высокая, то пробу отбирают с экземпляров, произрастающих на площадке 2 х 2 или 5 х 5 м, заложенной для пересчета стволов древесных пород. С одного экземпляра вида кустарника отбирают по модельной ветке и из собранных веток со всех экземпляров формируют объединенную пробу одного вида кустарникового яруса (лещины, малины и др.).

Для травяно-кустарничкового яруса отбор проб также осуществляют по видам. Сначала отбирают пробы видов травянистых растений по всей пробной площади до 1 кг массы каждого вида. Одна проба соответствует одному виду растения. Для пересчета на площадь выявляют запас фитомассы в фитоценозе. Для расчета фитомассы на пробной площади закладывают 2-3 площадки размером 1 х 1 м, на которых срезают всю надземную часть растений, растения разбирают по видам, маркируют, упаковывают в бумагу и транспортируют в лабораторию, где пробы фитомассы закладывают в сушильный шкаф и высушивают при температуре 105^oC в течение 2-х суток, высушенные образцы растений взвешивают и результат записывают в журнал. Все использованные приборы и оборудование тщательно дезактивируют ватно-марлевым тампоном, смоченным в спирте.

Аналогичным образом отбирают пробы мхов и лишайников. Отбор проб подстилки проводят по схеме конверта: для этого в четырех углах и посередине площади закладывают площадки 25 х 25 см, с которых снимают подстилку: каждую из 5-и отобранных проб маркируют, заворачивают отдельно и транспортируют в лабораторию.

После отбора проб растений и подстилки отбирают пробу почвы. Для этого по схеме конверта - в четырех углах пробной площади и посередине - вырезают монолиты почвы 10 х 10 см глубиной 5 см, которые объединяют вместе, маркируют и упаковывают в бумагу. Получают объединенную пробу почвы 50 х 50 см глубиной 5 см. На отбор проб растений и почвы с пробной площади фитоценоза отводят 30 минут.

Затем проводят гербаризацию растений. Для этого отобранные виды раскладывают в кюветы и идентифицируют по определителям (9-10) и эталонным растениям. Идентифицированные растения закладывают в фильтровальную бумагу, расправляют, этикетируют и кладут в гербарную сетку, которую перевязывают бечевкой. В сетке растения высушивают до воздушно-сухого состояния, перекладывают в чистую бумагу, и готовые листы складывают в гербарий. Название идентифицированных растений заносят в бланк описаний. На гербаризацию одного экземпляра растений отводят 1 час.

Новым является и приготовление проб, при котором предварительно каждую пробу растений, подстилки и почвы высушивают в сушильном шкафу при температуре 105^oC до абсолютно сухого состояния в течение 2-х суток (3-х смен). Каждую высушенную пробу растений и подстилки взвешивают, перекладывают в фарфоровый тигель, предварительно высушенный до постоянной массы, охлажденный в эксикаторе и взвешенный, и озоляют в муфельной печи при температуре 400^oC. После озоления тигель с пробой охлаждают в эксикаторе и взвешивают, зольный остаток в количестве 8 г наносят на подложку - алюминиевую мишень диаметром 60 мм, которая обработана спиртом, высушена и взвешена.

Высушенную же пробу почвы взвешивают, просеивают через сито на металлический поддон. Просеянную пробу почвы разравнивают тонким слоем и разделяют на четыре части методом квартования, две части убирают, оставшиеся две разравнивают и разделяют на четыре части, две убирают, а оставшиеся наносят на мишень в количестве 8 г. Затем приготовленные пробы передают в радиометрическую лабораторию на замер, указав в сопроводительной записке необходимые измеряемые параметры (удельную, объемную, поверхностную активности радионуклидов в Бк/кг, Бк/м³, Бк/м²). Замеренные образцы перекладывают в пакеты из плотной бумаги, маркируют и передают в лабораторию спектрального анализа для определения содержания микроэлементов. Оставшиеся образцы хранят в сейфе до полной обработки результатов. В рабочий журнал записывают шифр пробы, дату приготовления, абсолютно сухую массу пробы, массу зольного остатка, массу взятой навески для анализа.

Технический результат изобретения: на пробной площади в течение 2-х часов составляется геоботаническое описание фитоценоза (1 час 30 минут) и производится отбор проб растений, подстилки и почвы (30 минут); в лаборатории в течение 48 часов при температуре 105^oC пробы высушивают до абсолютно сухого состояния; озоление проб растений и подстилки производят при температуре 400^oC.

ЛИТЕРАТУРА.

1. Алексахин P. M., Нарышкин М.А. Миграция радионуклидов в лесных биогеоценозах. М: Наука. 1977. 147 с.

2. Радиоактивность и пища человека. М: Атомиздат. 1971.

3. Голубева Е.И., Маркелов А.В., Минеева Н.Я. и др. Биогеоценотические проблемы охраны природы при радиационных нагрузках. // Общие проблемы биогеоценологии.М. 1986.

4. Воронов А.Г. Геоботаника М.: Высшая школа. 1964.

5. Методика полевых геоботанических исследований. М.- Л.: АН СССР. 1938.

6. Немцов М.И. Индикационная роль растений и растительности. // Методика индикационных работ. М. 1972.

7. Хржановский В.Г., Викторов С.В., Литвак П.В., Родионов Б.С. // Ботаническая география с основами экологии растений М.: Агропромиздат. 1986.- 255 с.

8. Методические рекомендации по санитарному контролю за содержанием радиоактивных веществ в объектах внешней среды. М.: Минздрав. 1980.

9. Маевский П.Ф. Флора средней полосы европейской части СССР. Л.-М.: Сельхозиздат. 1962.

10. Алексеев Ю.Е., Вехов В.Н., Гапочка Г.П. и др. Травянистые растения СССР. Т. 1,2 М.: Мысль. 1971.

11. Система экологического мониторинга города или региона. РФ, N 2079891, кл. 6 H 04 M 11/00, оп. 1995.

Изобретение относится к экологии и предназначено для исследования и анализа радиоактивного загрязнения экосистем по состоянию растительности. Способ включает отбор, приготовление проб и радиационный анализ растительных компонентов по ярусам. Способ состоит из 2-х этапов - полевого и лабораторного. Описание фитоценозов и отбор проб проводят в период максимального накопления фитомассы. Пробные площади задают в форме прямоугольников. Способ позволяет улучшить контроль за состоянием окружающей среды. 8 з.п.ф-лы.

1. Способ радиационного мониторинга экосистем по биоиндикации радиоактивного загрязнения территорий по фитокомпоненту, включающий отбор, приготовление проб и радиационный анализ растительных компонентов по ярусам: древесный, кустарниковый, травяной, травяно-кустарничковый, мохово-лишайниковый, состоит из этапов полевого: заложение пробной площади, описание фитоценоза, отбор проб, гербаризация; и лабораторного: определение неизвестных растений, формирование гербария эталонных растений и приготовление проб, описание фитоценозов и отбор проб проводят в период максимального накопления фитомассы - для подзоны хвойно-широколиственных лесов с 20 июля по 10 сентября, пробную площадь отмеряют для травяных сообществ - 100 м², для лесных сообществ умеренной зоны - 400 м², при этом пробные площади закладываются в форме квадрата, а в фитоценозах, имеющих вид узких полос; на склонах, поймах и оврагах, пробные площади задают в форме прямоугольника, затем проводят описание растительности на пробной площади. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что при описании древесного яруса оценивают сомкнутость крон как доли проекции крон; в десятых долях от единицы для каждого яруса древостоя отдельно, и дают характеристику породам деревьев также по ярусам растительности - первоначально определяют видовой состав деревьев, образующих то или иной ярус, затем высота и возраст деревьев, диаметр стволов и высота прикрепления крон, в характеристике возобновления отмечают сомкнутость крон и число стволов на пробных площадях размера 2 х 2 или 5 х 5 м, а обилие задают в условных единицах. 3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что при описании кустарникового яруса, помимо сомкнутости крон и видового состава, указывают его характеристики: высоту, густоту, обилие, степень участия, фенофазу. 4. Способ по любому из пп.1 - 3, отличающийся тем, что травяной и травяно-кустарничковый ярус характеризуют проективным покрытием, истинной задернованностью, аспектом фитоценоза, составом травостоя и отдельными характеристиками видов, при этом проективное покрытие выражают в процентах и определяют как сумму проекций на горизонтальной поверхности почвы оснований стеблей растений, а аспект фитоценоза определяют по цвету и состоянию травяно-кустарничкового яруса. 5. Способ по любому из пп.1 - 4, отличающийся тем, что при характеристике мохово-лишайникового покрова указывают проективное покрытие в процентах, видовой состав, дают характеристику каждому виду: степень его проективного покрытия, обилие и особенность размещения на пробной площади; эпифиты или внеярусные растения: лишайники на деревьях, лианы, характеризуют видовым составом и оценкой их встречаемости, указывают высоту прикрепления и вид деревьев, на что отводят 1 ч 30 мин. 6. Способ по любому из пп.1 - 5, отличающийся тем, что отбирают пробы для радиометрического и спектрального анализов, которые проводят как для контроля содержания в растениях токсичных веществ, так и для определения общего запаса химических элементов, составляющих банк элементов питания в фитоценозе, пробы отбирают с учетом видовой дифференциации растений и полного охвата представителей всех жизненных форм, причем отбор пробы проводят с субстрата их произрастания, а для древостоя отбор проб - веток с листьями производят по предварительно отмеченным видам, для анализа отбирают 1 кг образца, который упаковывают в бумагу и маркируют, при этом пробу отбирают с экземпляров, произрастающих на площадке 2 х 2 или 5 х 5 м, заложенной для пересчета стволов древесных пород, с одного экземпляра вида кустарника отбирают по модельной ветке и из собранных со всех экземпляров формируют объединенную пробу одного вида кустарникового яруса, для травяно-кустарничкового яруса отбор проб также осуществляют по видам, при этом для расчета фитомассы на пробной площади закладывают 2 - 3 площадки размером 1 х 1 м, на которых срезают всю надземную часть растения, растения разбирают по видам, маркируют, упаковывают в бумагу и транспортируют в лабораторию, где пробы фитомассы закладывают в сушильный шкаф и высушивают при 105^oС в течение 2-х суток, высушенные образцы растений взвешивают и результат записывают в журнал. 7. Способ по любому из пп.1 - 6, отличающийся тем, что после отбора проб растений и подстилки отбирают пробу почвы на схеме конверта - в четырех углах пробной площади и посередине - вырезают монолиты почвы 10 х 10 см глубиной 5 см, которые объединяют вместе, маркируют и упаковывают в бумагу, таким образом получают объединенную пробу почвы 50 х 50 см глубиной 5 см, а на отбор проб растений и почвы с пробной площади фитоценоза отводят 30 мин. 8. Способ по любому из пп.1 - 7, отличающийся тем, что проводят гербаризацию растений, идентифицированные растения закладывают в фильтровальную бумагу, расправляют, этикетируют и кладут в гербарную сетку, которую перевязывают бечевкой, в сетке растения высушивают до воздушно-сухого состояния, перекладывают в чистую бумагу и готовые листы складывают в гербарий, на гербаризацию одного экземпляра растений отводят 1 ч. 9. Способ по любому из пп.1 - 8, отличающийся тем, что предварительно каждую пробу растений, подстилки и почвы высушивают в сушильном шкафу при температуре 105^oС до абсолютно сухого состояния в течение 2-х суток, каждую высушенную пробу растений и подстилки взвешивают, перекладывают в фарфоровый тигель, предварительно высушенный до постоянной массы, охлажденный в эксикаторе и взвешенный, и озоляют в муфельной печи при 400^oС, после озоления тигель с пробой охлаждают в эксикаторе и взвешивают, зольный остаток в количестве 8 г наносят на подложку - алюминиевую мишень диаметром 60 мм, которая обработана спиртом, высушена и взвешена, высушенную же пробу почвы взвешивают, просеивают через сито на металлический поддон, просеянную пробу почвы разравнивают тонким слоем и разделяют на четыре части методом квартования, две части убирают, оставшиеся две разравнивают и разделяют на четыре части, две убирают, а оставшиеся наносят на мишень в количестве 8 г, затем приготовленные пробы передают в радиометрическую лабораторию на замер, указав в сопроводительной записке необходимые измеряемые параметры (удельную, объемную, поверхностную активности радионуклидов в Бк/кг, Бк/м³, Бк/м²), замеренные образцы перекладывают в пакеты из плотной бумаги, маркируют и передают в лабораторию спектрального анализа для определения содержания микроэлементов.