CC BY
189
УДК504.5:631.4:539.16(470.56)
Рахимова Н.Н., Ефремов И.В., Горшенина Е.Л.
Оренбургский государственный университет E-mail: rahimovann@mail.ru
МИГРАЦИОННЫЕ СПОСОБНОСТИ РАДИОНУКЛИДОВ CS-137 И SR-90 В РАЗЛИЧНЫХ ТИПАХ ПОЧВ
Основным реальным источником радиоактивного загрязнения почвенно-растительного комплекса являются глобальные радиоактивные выпадения из атмосферы долгоживущих радионуклидов при ядерных испытаниях, а так же воздушные выбросы техногенных радионуклидов, связанные с работой предприятий ядерного топливного цикла.
В результате выпадений радионуклиды оседают на земную поверхность, аккумулируются в почве, включаются в биогеохимические циклы миграции и становятся новыми компонентами почвы. Почва является важным инерционным звеном, от скорости миграции радионуклидов в почве, во многом зависят темпы их распространения по всей цепочке. В результате перемещения в почве и последующего корневого поглощения радионуклиды поступают в части растений представляющие пищевую или кормовую ценность.
Исследование миграции радионуклидов по почвенному профилю - один из важных подходов к изучению антропогенного влияния на растительность. Миграция радионуклидов по профилю почвы происходит благодаря перемещению почвенных частиц, в состах которых они входят, за счет движения почвенной влаги, содержащей растворимые и коллоидные их формы, а также процессов сорбции и десорбции
Данная статья посвящена изучению миграционной способности радионуклидов Cs-137 и Sr-90 по почвенному профилю в различных типах почв Оренбургской области. Разработан метод оценки интенсивности миграции радионуклидов Cs-l37 и Sr-90 по профилю черноземных и темно-каштановых почв с помощью построенных регрессионных уравнений и величины I, которая является постоянной и зависит от типа почв. Построенныеуравнения регрессии, позволяют оценить интенсивность миграции радионуклидовCs-137 и Sr-90 по почвенному профилю.
На территории Оренбургской области имеется несколько потенциальных источников загрязнения окружающей среды радионуклидами: эпицентр ядерного взрыва Тоцкого войскового учения, след радиоактивного облака, распространившегося после взрыва.
Наибольшая интенсивность миграции Cs-137 по почвенному профилю наблюдается у почв, легких по гранулометрическому составу (темно-каштановая почва), в почве черноземов (обыкновенный, типичный, южный), для минеральных почв (чернозем южный неполноразвитыйщебневатый) характерна меньшая интенсивность. Интенсивность миграции Sr-90 в почве чернозема южного не-полноразвитогощебневатого сравнительно невысока, наибольшая интенсивность миграции Sr-90 по почвенному профилю наблюдается у почв чернозема обыкновенного и южного.
Ключевые слова: радионуклиды, цезий-137, стронций-90, профильная миграция, корреляционный анализ, степная зона, типы почв, уравнения регрессии.
В результате выпадений радионуклиды оседают на земную поверхность, аккумулируются в почве, включаются в биогеохимические циклы миграции и становятся новыми компонентами почвы. Почва является важным инерционным звеном, от скорости миграции радионуклидов в почве, во многом зависят темпы их распространения по всей цепочке. В результате перемещения в почве и последующего корневого поглощения радионуклиды поступают в части растений представляющие пищевую или кормовую ценность.
Исследование миграции радионуклидов по почвенному профилю - один из важных подходов к изучению антропогенного влияния на растительность. Миграция радионуклидов по профилю почвы происходит благодаря перемещению почвенных частиц, в состах которых они входят, за счет движения почвенной влаги, содержащей растворимые и коллоидные их формы, а также процессов сорбции и десорбции
Материалы и методы исследования
Для обследования выбирались участки размером приблизительно 100 на 100 метров на природных ландшафтах. На сельскохозяйственных угодьях, выбирался элементарный участок (отдельный обрабатываемый участок, занятой одной культурой.Площадки подлежащие обследованию выбирались с однородным почвенным и растительным покровом наиболее типичным по основным агроэкологическим признаком для данного района: типы почв, элементы рельефа. Пробы почв отбирали методом конверта.
Характер и размеры вертикальной миграции радиоактивных веществ Sr-90 и Cs-137 в почвенном профиле исследовался пошагово по профилю 0-5, 5-10, 10-20, 20-30, 30-40, 40-50 см для почв естественных экосистем и на глубину пахотного слоя (0-30 см) для почв агроэко-систем, на пяти почвенных разрезах представленных различными типами почв: черноземы южные; обыкновенные; типичные; неполнораз-витыещебневатые и темно-каштановые.
Пробы каждого слоя в точке отбора тщательно перемешивали, освобождали от камней, корней и других включений. Из общей массы методом квартования отбирали около 1 кг смешанного образца. Почвы, высушивают до воздушно-сухого состояния, измельчают на мельнице и просеивают через сито диаметром отверстий 2 мм. Затем квартованием отбирали пробу массой 50-100 г, для последующего анализа.
Для определения качественного и количественного состава стронция-90 и цезия-137 проводили радиохимическое и спектрометрическое исследование полученных образцов почвы и растительности на базе агрохимлаборатории.
Результаты исследований
Изучение вертикального распределения С8-137 и 8г-90 по почвенным профилям показало, что за период времени, истекший с момента загрязнения почв, радионуклиды на этих участках мигрировали на значительную глубину (до 50 см).
В качестве объекта исследований были взяты следующие почвы Оренбургской области, черноземы: южные, типичные, обыкновенные, неполноразвитыещебневатые и темно-каштановая почва целины и агроценоза.
В таблице 1 представлены усредненные значения содержания радионуклидов С8-137 и 8г-90 в различных типах почв естественных и агроэкосистем.
Максимальное содержание С8-137 и 8г-90 отмечается в почве чернозема южного не-
полноразвитогощебневатого для естественной экосистемы соответственно 15,4 и 11,8 Бк/кг, для агросистем в пахотном горизонте (0-30 см) максимальное содержание Сэ-137 и 8г-90 - соответственно 14,8 и 12,3 Бк/кг. Минимальное содержание С8-137 и 8г-90 отмечается в почве чернозема южного для естественной экосистемы 11,92 и 10,28 Бк/кг, и в почве чернозема обыкновенного 12,03 и 10,17 Бк/кг соответственно.
В таблице 2 приведены распределения С8-137 и 8г-90 по почвенному профилю 0-5, 5-10, 10-20, 20-30, 30-40, 40-50 в почвах естественных экосистем Оренбургской области.Как показывают данные, представленные в таблице 2, видно, что подвижность радионуклидов С8-137 и 8г-90 в разных типах почв по профилю не одинакова.
На всей обследованной территории суммарная концентрация С8-137 по почвенному профилю выше 8г-90.
Процесс вертикальной миграции С8-137 по почвенному профилю для естественных экосистем идет интенсивнее 8г-90.
В результате проведенного регрессионного анализа получили уравнение регрессии экспоненциального вида, позволяющее оценить динамику профильной миграции радионуклидов С8-137 и 8г-90:
С=С6е^, (1)
где С0 - концентрация радионуклидов С8-137 и 8г-90 на поверхности, Бк/кг;
Таблица 1. Среднее содержание радионуклидов цезия-137 и стронция-90 (Бк/кг) в почвах Оренбургской области, при р<0,05
Тип почв Cs-137, Бк/кг Sr-90, Бк/кг
агросистема экосистема агросистема экосистема агросистема экосистема агросистема экосистема
Чернозем обыкновенный 10,9±2,18 15,2 8,6 12,03±1,45 18,3 9,1 9,1±1,88 10,9 8,7 10,17±1,34 11,3 9,3
Чернозем типичный 13,0±2,61 17,4 10,1 12,95±1,53 19,6 9,6 11,5±3,05 14,4 8,9 11,05±1,52 13,9 9,2
Чернозем южный неполноразвитыйщебневатый 14,8±2,75 21,1 9,4 15,4±3,75 33,9 9,9 12,3±3,19 16,8 10,20 11,8±1,43 18,7 9,3
Темно-каштановая 14,0±3,84 17,3 12,0 12,83±0,92 15,8 10,2 11,1±1,73 13,6 9,1 11,15±1,52 12,8 9,7
Чернозем южный 13,2±3,34 15,3 11,1 11,92±1,31 18,1 9,8 11,6±1,98 12,9 8,7 10,28±1,56 12,4 9,0
Примечание
max - концентрация радионуклида, Бк/кг min - концентрация радионуклида, Бк/кг
VII Всероссийская научно-практическая конференция
X - постоянная, характеризующая миграционные способности радионуклида и зависящая от физико-химических свойств почв (положительное значение характеризует уменьшение концентрации радионуклида по профилю, отрицательное значение - увеличение содержания);
х - почвенный профиль, см.
Данное уравнение позволяет оценить миграционную способность радионуклидов по величине показателя X.
Результаты регрессионного анализа представлены в таблице 3.
Уравнения регрессии, характеризующие концентрационные изменения Сз-137 по профилю:
С(х)=14,57• ехр(-0,06-х)для чернозема обыкновенного;
С(х)=16,95• ехр(-0,08• х) для темно-каштановой почвы;
С(х)=19,77• ехр(-0,13•х) для чернозема типичного;
С(х)=15,20• ехр(-0,08•х) для чернозема южного;
С(х)=40,00• ехр(-0,28•х) для чернозема южного неполноразвитогощебневатого.
Концентрация Се-137 для естественных экосистем по почвенному профилю экспонен-
циально убывает с глубиной в черноземе типичном (Х=0,13), в черноземе южном неполно-развитомщебневатом изменение концентрации в почвенном профиле идет более интенсивно (Х=0,28). В остальных обследованных типах почв концентрации Се-137 по почвенному профилю меняются незначительно для чернозема южного и темно-каштановой почвы (Х=0,08), для чернозема обыкновенного (Х=0,06).
Максимальные концентрации Се-137 отмечаются в черноземе южном щебневатомнепол-норазвитом в слое 0-5 см (33,9 Бк/кг).
Уравнения регрессии, характеризующие концентрационные изменения Sr-90 по профилю:
С(х)=11,16• ехр(-0,03 •х) для чернозема обыкновенного;
С(х)=11,05• ехр(-0,00• х) для темно-каштановой почвы;
С(х)=15,25• ехр(-0,130•х) для чернозема типичного;
С(х)=11,79• ехр(-0,04• х) для чернозема южного;
С(х)=17,24• ехр(-0,12•х) для чернозема южного неполноразвитогощебневатого.
Максимальные концентрации Sr-90 для естественных экосистем отмечаются в черноземе южном неполноразвитомщебневатом в
Таблица 2. Распределение Св-137 и Бг-90 по вертикальному профилю в почвах естественных экосистем, Бк/кг
Глубина Чернозем Чернозем Чернозем неполноразвитый Темно- Чернозем
слоя, см обыкновенный типичный щебневатый каштановая южный
0-5 18,3±2,3 19,6±3,62 33,9±5,78 15,8±2,37 18,1±2,87
11,3±2,03 13,8±2,74 18,7±3,61 9,7±1,39 12,4±2,53
5-10 13,4±2,01 15,1±2,41 14,3±2,14 12,8±1,8 9,4±1,45
10,8±1,94 13,9±2,78 12,1±2,78 11,2±1,79 9,0±1,74
10-20 9,2±1,2 11,3±1,36 11,4±1,82 14,6±2,19 12,4±1,61
9,3±1,48 10,7±2,18 10,7±1,71 12,8±2,17 11,5±2,11
20-30 9,8±1,37 9,8±1,84 11,1±1,65 9,5±1,81 11,4±1,71 9,8±1,89 13,3±1,12 12,5±1,85 11,3±2,14 10,0±1,62
30-40 12,4±1,51 11,0±0,98 11,5±1,49 10,2±1,22 9,8±1,76
10,5±1,55 9,2±1,73 10,2±1,42 10,5±1,63 9,6±1,49
40-50 9,1±1,09 9,4±1,78 9,6±1,44 9,2±1,54 9,9±1,58 9,3±1,52 10,3±1,54 10,2±1,44 10,5±1,57 9,2±1,23
Примечание
Се-137 - концентрация радионуклида, Бк/кг Бг-90 - концентрация радионуклида, Бк/кг
Таблица 3. Коэффициенты уравнения регрессии С=Сд-егХ
Тип почв
Элементы Чернозем южный Чернозем обыкновенный Чернозем типичный Темно-каштановая Чернозем неполноразвитый щебневатый
С о X С о X С о X С о X С о X
Се-137 15,20 0,08 14,57 0,06 19,77 0,13 16,95 0,08 40,00 0,28
Бг-90 11,79 0,04 11,16 0,03 15,25 0,10 11,05 0,00 17,24 0,12
слое 0-5 см (18,7 Бк/кг). Изменения содержания Sr-90 по профилю в пробах темно-каштановой почвы (Я=0) ненаблюдается. Концентрация Sr-90 по почвенному профилю экспоненциально убывает с глубиной в черноземе неполноразви-томщебневатом (Я=0,12) и черноземе типичном (Я=0,10). В остальных обследованных типах почв концентрация Sr-90 изменяется незначительно по почвенному профилю для чернозема южного (Я=0,04) и чернозема обыкновенного (Я, = 0,03).
Выводы
1. Изучение вертикального распределения радионуклидов Cs-137 и Sr-90 по почвенным профилям показало, что за период времени, истекший с момента загрязнения почв, радионуклиды на исследуемых участках мигрировали на значительную глубину (более 50 см).
2. Методика оценки интенсивности вертикальной миграции радионуклидов Cs-137 и Sr-90 по почвенному профилю, по построенным уравнениям регрессии позволяет прогнозировать динамику профильной миграции с помо-
щью постоянной Я и заданной концентрации радионуклидов на поверхности почвы. Величина Я - постоянная, которая характеризует миграционные способности радионуклидов и зависит от физико-химических свойств почв.
3. На всей обследованной территории суммарная концентрация Cs-137 по почвенному профилю выше Sr-90. Процесс вертикальной миграции Cs-137 по почвенному профилю для естественных экосистем идет интенсивнее Sr-90.
4. Наибольшая интенсивность миграции Cs-137 по почвенному профилю наблюдается у почв, легких по гранулометрическому составу (темно-каштановая почва), в почве черноземов (обыкновенный, типичный, южный), для минеральных почв (чернозем южный непол-норазвитыйщебневатый) характерна меньшая интенсивность. Интенсивность миграции Sr-90 в почве чернозема южного неполноразвитого-щебневатого сравнительно невысока, наибольшая интенсивность миграции Sr-90 по почвенному профилю наблюдается у почв чернозема обыкновенного и южного.
10.09.2015
Список литературы:
1. Алексахин Р.М. Сельскохозяйственная радиоэкология/ Р.М. Алексахин, А.В. Васильев, В.Г. Дикарев и др.// М.: Энегроиздат, 1992, с.400
2. Ефремов И.В. Исследование нахождения подвижных форм тяжелых металлов и радионуклидов цезия-137 и стронция-90 в почвенно-растительных комплексах степной зоны: в 3 т. / И.В. Ефремов, Н.Н. Рахимова, Е.Л. Янчук // Актуальные проблемы экологии.: сб. науч. работ. - Томск, 2004. - №3. С.455 - 456
3. Ефремов И.В. Математическое моделирование миграции радионуклидов в почвенно-растительных комплексах Оренбуржья / Ефремов И.В., Рахимова Н.Н., Ефремова Е.Г. и др. // Вестник ОГУ. - Оренбург, 2005. - №9 - С.129 - 133.
4. Ефремов И.В. Моделирование почвенно-растительных систем. - М.: Издательство ЛКИ, 2008. - с.65-70. Молчанова И.В. Радиоактивное загрязнение почвы и растительности / И.В.
5. Молчанова, В.Н. Караваева, Л.Р. Михайловская // Эколого-генетический анализ отдаленных последствий Тоцкого ядерного взрыва в Оренбургской области в 1954 году (факты, модели, гипотезы). - Екатеринбург: УрО РАН, 1997. - с. 45-47.
6. Рахимова Н.Н. Восстановление почв загрязненных радионуклидами методом фитомелиорации. Всероссийская научно-методическая конференция с международным участием «Университетский комплекс как региональный центр образования, науки и культуры». - Оренбург.гос. ун-т. - Оренбург :ОГУ 2014. С. 997- 1002.
7. Рахимова Н.Н. Геоэкологические особенности миграции радионуклидов Cs-137 и Sr-90 в почвенно-растительных комплексах степной зоны Оренбуржья / Дисс. на соискание ученой степени кандидата технических наук, Оренбург 2006, С. 35-47
Сведения об авторах: Рахимова Наталья Николаевна, доцент кафедры безопасности жизнедеятельности Оренбургского государственного университета, кандидат технических наук 460018, г. Оренбург, пр-т Победы, 13, тел.: (3532) 372-541, e-mail:bgd@mail.osu.ru
Ефремов Игорь Владимирович, заведующий кафедрой безопасности жизнедеятельности Оренбургского государственного университета, доктор биологических наук 460018, г. Оренбург, пр-т Победы, 13, тел.: (3532) 372-541, e-mail:bgd@mail.osu.ru
Горшсиииа Екатерина Леонидовна, доцент кафедры безопасности жизнедеятельности Оренбургского государственного университета, кандидат технических наук 460018, г. Оренбург, пр-т Победы, 13, тел.: (3532) 372-541, e-mail:bgd@mail.osu.ru
