Применение данных дистанционного зондирования и наземных радиоэкологических исследований для мониторинга лесных фитоценозов в 30-км зоне Кольской атомной электростанции

Мурманская область – опорный узел Арктики, регион интенсивной производственной деятельности. Она уникальна по концентрации ядерных объектов и атомного флота. Здесь находятся Кольская атомная электростанция (КоАЭС), полигоны утилизации и хранения радиоактивных отходов, ледокольные суда, субмарины и др. потенциально опасные объекты (Доклад..., 2018).
КоАЭС – первая атомная станция в России, построенная за Полярным кругом в 1973-1984 годах. Она имеет в эксплуатации 4 энергоблока с реакторами ВВЭР-440, общей мощностью 1760 МВт (Кизеев, 2016). Атомная станция окружена лесами. Как известно, лесные фитоценозы способны аккумулировать радионуклиды в больших количествах, по-сравнению с другими экосистемами. Можно предположить, что в компонентах растительных сообществ в районе расположения КоАЭС происходит интенсивное накопление техногенных радионуклидов.
В настоящее время во всем мире разворачиваются масштабные программы глобального мониторинга растительных ресурсов на основе принципиально новых технологий дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ) из космоса. Можно констатировать, что появился новый общедоступный измерительный инструмент, который отвечает требованиям исследователей, изучающих различные земные объекты и процессы, и обладает в совокупности такими уникальными свойствами, как глобальность зоны наблюдения, объективность получаемой информации, высокая повторяемость, воспроизводимость, наличие архивов долговременных непрерывных наблюдений (Исаев и др., 2014). Комплексных исследований состояния растительного покрова в районах расположения объектов ядерной энергетики на Кольском Севере с использованием методов радиационной экологии и многозонального космического зондирования до сих пор не проводилось. Поэтому особую актуальность приобретает мониторинг лесных фитоценозов в зоне непосредственного влияния КоАЭС - одного из крупнейших ядерных объектов Евро-Арктического региона России - по данным ДЗЗ из космоса и материалам наземных радиоэкологических исследований.
Вокруг атомной станции была развернута сеть мониторинга в виде радиально-концентрической системы, состоящей из 12 площадок 4 типов: 2 станционные площадки находились в пределах санитарно-защитной зоны (СЗЗ) атомной станции - C-1 и СЗЗ хранилища сухих слабоактивных отходов - C-2; 5 пробных площадок расположены в зоне наблюдений (ЗН) КоАЭС на расстоянии 10 км от станции: П-1, П-2, П-3, П-4 и П-5; 4 контрольных площадки – на границе ЗН на расстоянии 15 км: К-I, К-II, К-III и К-IV; а также 1 фоновая площадка – на расстоянии 30 км от станции – Ф.
Исследуемые площадки расположены в районе озер Имандра и Верхняя Пиренга. По типу леса мониторинговые точки относятся к соснякам чернично-лишайниковым и соснякам зеленомошно-лишайниковым черничным.
В качестве объектов изучения были выбраны компоненты доминирующей растительности – хвоя сосны обыкновенной и листья черники миртолистной, которые очень чувствительны к содержанию химических элементов в окружающей среде. Отбор проб проводили в течение вегетационного периода 2014 года, согласно общепринятым методикам (Черных, Сидоренко, 2003).
Анализ благополучия фитоценозов на мониторинговых точках производили по данным ДЗЗ из космоса. В работе были использованы материалы космических аппаратов: Landsat-7 и Landsat-8. Архив материалов космических аппаратов Landsat содержал множество многозональных сцен по изучаемому району. Из них были выбраны те, которые характеризовались низким процентом облачного покрытия территории. Сезонный охват соответствовал периоду май - сентябрь. Летние сезоны 2015-2016 годов отличались аномальной погодой (более облачной прохладной, влажной). Поэтому для подробного анализа был выбран 2014 год. Так как предполагается, что антропогенные факторы, участвующие в формировании искомых аномалий благополучия фитоценозов, действуют в течение многих лет, то данный подход не должен повлиять на достоверность исследований. Каждая площадка наблюдалась в среднем на 6 отдельных сценах (Кизеев, Силкин, 2017).
Радиоэкологические исследования включали в себя радиометрическую съемку местности (мкЗв/ч) и измерения удельных активностей техногенного радионуклида 137Cs - одного из основных компонентов радиоактивного загрязнения биосферы (период полураспада 30,17 лет) с помощью сертифицированного в Госстандарте РФ сцинтилляционного спектрометрического комплекса «Мультирад» с гамма-детектором NaI(Tl) 63x63 и программным обеспечением «Прогресс», Бк/кг (Черных, Сидоренко, 2003).
Для получения возможности объективно сравнивать результаты наземных радиоэкологических исследований и материалы ДЗЗ из космоса был построен обобщенный эмпирический индикатор удельной активности фитомассы (альфа), учитывающий площадь покрытия сосны и черники на мониторинговых площадках в совокупности со значениями удельной активности в их ассимиляционных органах.
Обработка материалов ДЗЗ производилась с целью обеспечения одинакового радиометрического масштаба при любых условиях съемки и характеристиках сенсоров космических аппаратов в соответствии с официальным руководством миссии (Landsat 7 Science Data Users Handbook; Using the USGS Landsat 8 Product).
Значения вегетационного индекса NDVI (Шовенгердт, 2010) рассчитывались для всех доступных наблюдений мониторинговых площадок. В дальнейшем с помощью анализа сезонных тенденций была проведена оценка величины NDVI на пике вегетационного периода. Поскольку индекс NDVI прямо пропорционален накопленной за определенный период биомассе (Кашкин, Сухинин, 2001), то есть возможность провести сопоставление этого параметра с физиологическим состоянием растений, чьи листья/хвоя подвергались радиационному воздействию.
Естественный радиационный фон в изучаемом районе составлял 0,09 мкЗв/ч. Данный показатель находится в пределах мощности дозы для населения на открытой местности (0,2 мкЗв/ч) и соответствует малым уровням ионизирующего излучения (область малых доз для живых объектов - до 0,2-0,5 Зв, согласно Нормы..., 1999).
Удельная активность 137Cs в хвое сосны обыкновенной в среднем находилась в пределах от 7 до 34, а в листьях черники миртолистной - от 13 до 165 Бк/кг. Накопление радиоцезия в ассимиляционных органах растений могло обуславливаться естественным круговоротом продуктов деления, поступивших в атмосферу и почву от испытаний ядерного оружия, проводившихся ранее на полигонах планеты, а также вследствие глобального загрязнения атмосферы выбросами Чернобыльской АЭС (Кизеев, 2016; Кизеев, Силкин, 2017). Согласно результатам сравнительного анализа удельных активностей 137Cs на мониторинговых точках по t-критерию, вклад КоАЭС был незначительным.
Построенная схема распределения значений вегетационного индекса демонстрирует разнородную картину, среди которых выделяются следующие варианты значений: минимум (П-1); нижний квартиль (С-1, П-3, К-I, Ф); медиана (П-2, К-IV); верхний квартиль (С-2, П-5, К-II, К-III); максимум (П-4). Прослеживается определенная азимутальная анизотропия. Аномалии пониженных значений NDVI (т.е. менее благополучных фитоценозов) вытянулись преимущественно по направлению СЗ-ЮВ, а положительных – вкрест им. Хотя ситуация не совсем однозначна и получить свое объяснение только влиянием розы ветров может лишь отчасти.
Благодаря комплексным исследованиям состояния растительного покрова в районе расположения атомной станции с помощью методов радиационной экологии и многозонального космического зондирования, была выявлена устойчивая связь между удельной активностью 137Cs и благополучием фитоценозов. Был проведен корреляционный анализ полученных пространственных распределений индикатора альфа с одной стороны, и значений индекса NDVI – с другой. Корреляция Пирсона (Харченко, 2008) выполнялась в скользящем окне между рядами значений, упорядоченных по удаленности от АЭС. С помощью корреляционного анализа было впервые показано, что вблизи атомной станции отрицательный эффект у растительных сообществ проявляется менее интенсивно, чем на большем удалении от нее (в пределах изучаемой территории). Иными словами по мере удаления от КоАЭС увеличивается степень влияния 137Cs на состояние растений (Кизеев, Силкин, 2017).
Таким образом, в 30-км зоне КоАЭС впервые была выявлена устойчивая связь между удельной активностью 137Cs и благополучием фитоценозов. Показано, что вблизи атомной станции отрицательный эффект у растительных сообществ проявляется менее интенсивно, чем на большем удалении от нее (в пределах изучаемой территории). Установлено наличие градиента, характеризующего состояние лесных фитоценозов. В то же время необходимо продолжение радиационно-экологических исследований лесов Евро-Арктического региона страны. При этом оценка бореальных фитоценозов, подверженных влиянию малых доз/концентраций поллютантов (радионуклиды, тяжелые металлы и др.) должна стать обязательным элементом комплексного экологического мониторинга природных (лесных) сообществ.