CC BY
24
УДК 631.95:631.445.4:631.438:504.5(470.312) DOI: 10.24411/1029-2551-2020-10048
ДИНАМИКА РАСПРЕДЕЛЕНИЯ 137Cs В ПОЧВЕННОМ ПРОФИЛЕ
ЦЕЛИННЫХ ЧЕРНОЗЕМОВ
1В.К. Кузнецов, д.б.н., 1С.И. Спиридонов, д.б.н., 1В.В. Иванов, к.ф.-м.н., 1А.И. Санжаров, к.б.н., 2Е.П. Князева
1Всероссийский НИИ радиологии и агроэкологии, e-mail: [email protected] 2Тульский НИИ сельского хозяйства - филиал ФИЦ «Немчиновка», e-mail: [email protected]
С 1988 по 2016 г. изучены параметры миграции и динамика распределения 137Cs в почвенном профиле целинных черноземных почв Тульской области, загрязненных в результате аварии на Чернобыльской АЭС. Проведено сопоставление зависимостей концентрации 137Cs в почве от глубины залегания почвенного слоя для различных лет после формирования радиоактивного загрязнения почв. Установлен активный процесс вертикальной миграции 137Cs с уменьшением его запаса в верхнем 0-5 см слое почвы с 91,2% в 1988 г. до 39,4% в 2016 г. и, соответственно возрастанием общего содержания радионуклидов в 5-10 см слое почвы с 8,0 до 30,5%. В долгосрочный период времени выявлена стабилизация распределения этого радионуклида по почвенному профилю. При разработке моделей, описывающих перемещение 137Cs в профиле черноземных почв необходимо учитывать все модифицирующие факторы, включая педо-, крио- и биотурбационные процессы.
Ключевые слова: Чернобыльская авария, 137Cs, радионуклиды, вертикальная миграция, черноземные почвы, защитные мероприятия, математические модели, Тульская область.
DISTRIBUTION DYNAMICS OF 137CS IN THE SOIL PROFILE OF VIRGIN CHERNOZEM
lDr.Sci. V.K. Kuznetsov, lDr.Sci. S.I. Spiridonov, lPh.D. V.V. Ivanov. lPh.D. A.I. Sanzharov, 2E.P. Knyazeva
1 Russian Institute of Radiology andAgroecology, e-mail: [email protected]
2Tula SRI for Agriculture - branch of the Federal Research Center «Nemchinovka», e-mail: [email protected]
137Cs migration parameters and distribution dynamics in the soil profile of chernozem soils in the Tula region contaminated as a result of Chernobyl accident were studied from 1988 to 2016. A comparison of 137Cs concentration in soil depending on the depth of soil layer deposition for different years after radioactive soil contamination was made. An active process of 137Cs vertical migration is observed with its depletion stock in the upper 0-5 cm soil layer from 91.2% in 1988 to 39.4% in 2016 and, consequently radionuclide concentration increase in 510 cm of the soil layer from 8.0 to 30.5%. In the long-term period of time, this radionuclide distribution stabilization in the soil profile was revealed. Developing 137Cs movement models in the profile of chernozem soils, it is necessary to take into account all the modifying factors, including pedo-, cryo- and bioturbation processes.
Keywords: Chernobyl accident, 137Cs, radionuclides, vertical migration, chernozem soils, countermeasures, mathematical models, the Tula region.
В результате аварии на Чернобыльской АЭС выпавшие на поверхность почвы радионуклиды мигрируют под воздействием природных процессов в горизонтальном и вертикальном направлениях. Скорость миграции радионуклидов определяется комплексом факторов, среди которых можно выделить физико-химические свойства радиоактивных выпадений, погодно-климатические условия, физико-географические особенности региона, свойства почв и др.
Процессы, вызывающие миграцию радионуклидов в почвах, разнообразны по своей природе. К ним относятся: конвективный перенос (фильтрация атмосферных осадков в глубь почвы, капиллярный подток влаги к поверхности в результате испарения, термоперенос влаги под действием градиента температуры); диффузия свободных и адсорбированных
ионов; перенос по корневым системам растений; перенос на мигрирующих коллоидных частицах (лессиваж); роющая деятельность почвенных животных; хозяйственная деятельность человека [1]. Эти факторы не являются равнозначными, так как интенсивность и продолжительность их действия различны и зависят от конкретных условий, что в свою очередь обуславливает различия в характере распределения радионуклидов по профилю почвы.
К настоящему времени проведено большое количество исследований по изучению миграции радионуклидов как после атмосферных выпадений после ядерных испытаний, так и после аварий на предприятиях ядерного топливного цикла. Было выявлено определяющее влияние на подвижность радионуклидов основных почвенных свойств, среди кото-
рых наиболее важными являются содержание илистой фракции, органического вещества, емкость поглощения, реакция почвенного раствора и др. [1, 2].
После аварии на Чернобыльской АЭС были проведены исследования по оценке параметров вертикальной миграции радионуклидов в различных типах почв. Установлено, что с 1987 по 1989 г. перераспределение радионуклидов в почвах удовлетворительно описывается двухкомпонентной конвективно-диффузионной моделью [3, 4]. При этом кажущиеся коэффициенты диффузии для различных типов почв варьировали в широких пределах 0,05-1,4 см2/год. Вклад «медленной» компоненты миграции является определяющим - от 66 до 90% для 13^ и 95-98% для 9^г [3, 5].
В последние годы выявлен активный процесс перераспределения 13^ по профилю черноземных почв и влияние систем агрохимических мероприятий на поступление в продукцию растениеводства [6, 7], а также опубликован ряд работ по оценке количественных параметров миграции радионуклидов в загрязненных районах Беларуси, России и Украины, в которых показано, что наиболее высокие скорости миграции радионуклидов отмечаются на торфяных почвах и почвах легкого мехсостава, при этом параметры миграции 9^г в 1,5-15,0 раз выше, чем 13^ [5, 8, 9].
Вместе с тем необходимо отметить, что для черноземных почв исследования носят единичный фрагментарный характер и не позволяют в полной мере судить о динамике и закономерностях распределения 13^ по почвенному горизонту.
Цель исследования - анализ параметров миграции и оценка динамики распределения по профилю черноземных почв в разные годы после аварии на Чернобыльской АЭС.
Методика. Исследования проводили с 1988 по 2016 г. на плакорных целинных участках Тульского НИИ сельского хозяйства, подвергшихся радиоактивному загрязнению. С этой целью в разные периоды после аварии методом почвенных прикопок проводили послойный отбор образцов по профилю почвенного горизонта до глубины 35 см. Почвенной покров представлен наиболее характерным для района исследования среднесуглинистым выщелоченным черноземом с мощностью почвенного горизонта 35 см. Агрохимические параметры почв за период исследования не были подвержены существенным изменениям и находились в диапазоне: pHкa 5,3-5,4, сумма обменных оснований 27-29 мг-экв/100 г, Р2О5 методом Чирикова 125-128 мг/кг, К2О методом Масловой 163-165 мг/кг.
Определение проводили у-спектрометричес-ким методом на многоканальном анализаторе Ш 1200 с германиевым детектором GM с ошибкой измерения +10% и последующим расчетом удельной активности и запаса на разной глубине.
Результаты. Набор экспериментальных данных, характеризующих распределение по почвен-
ному профилю в разные годы после чернобыльских выпадений (рис. 1), дает возможность оценить характер процесса вертикальной миграции и направленность последующего перераспределения в различных слоях черноземных почв.
Установлено, что после выпадения на поч-венно-растительный покров происходит активный процесс миграции и перераспределения 13^ в основных компонентах агроэкосистем. При этом этот процесс наиболее выражен для верхнего 10 см слоя почвы. Расчеты показали, что если в 1988 г. более 90% запаса содержалось в верхнем 5 см слое, то через 5 лет в этом слое содержалось только 58,2%, из них 32,8% в слое 0-2 см. Вместе с тем существенно возросло содержание 13^ в слое 5-10 см, в котором общий запас 13^ возрос до 28%. Однако суммарное количество 13^ в слое 0-5 см более чем в 2 раза превышает соответствующие значения в слое 5-10 см. В последующие 6 лет процесс перераспределения 13^ происходил за счет выравнивая запасов 13^ в верхних и возрастания в нижележащих слоях.
Активное перераспределение запасов в
верхних слоях черноземных почв Тульской области наблюдалось и в исследованиях сотрудников ФГУ «Плавскагрохимрадиология». Причем в наибольшей степени этот процесс происходил с 1986 по 1995 г., а с 1995 по 2005 г. снижение в верхних слоях почв замедлилось [10].
Наблюдаемая интенсивная миграция в
профиле черноземных почв в первые годы после радиоактивных выпадений может быть обусловлена естественными процессами перемешивания почвенной массы в верхнем слое за счет кольматажа, проникновения частиц в почвенные поры и трещины вследствие сезонных процессов набухания и высушивания (педотурбация), деформаций, связанных с промерзанием и оттаиванием (криотурбация) и с землеройной деятельностью многочисленных почвенных животных (биотурбация), а также выносом 13^ корневыми системами растений. Все эти процессы наиболее выражены в черноземных почвах и происходят более активно по сравнению с дерново-подзолистыми почвами [11].
Подсчет личинок майского хруща в весенний период отбора проб показал, что их количество на водораздельных участках ландшафтов варьирует от 35 до 55 шт/м2, что указывает на чрезвычайно большую заселенность черноземных почв личинками жуков и сильную степень их опасности для сельскохозяйственных культур. В совокупности с активной деятельностью дождевых червей, населяющих гумусные слои почвы [12], следует признать биотурбационные процессы весьма значимым фактором для интенсификации перераспределения 13^ в верхних слоях черноземных почв.
1988 г.
0-2
2-5
5-10
10-15
0 10 20 30 40 50 60 70 80
1993 г.
0-2 2-5 5-10
10-15
£
15-20 20-25
10 15 20 25 30 Запас 137Сб, %
2007 г.
0-2
2-5
о
5-10
т
г
ю 10-15
£ 15-20
20-25
5 10 15 20 25 30
2010 г.
0-2
2-5
о 5-10
го X 10-15
ю > 15-20
£ 20-25
25-30
30-35
I
10 15 Запас
20 25 30
'7Сэ, %
2016 г.
0-2 2-5
0 5-10
1 10-15 й 15-20 ^ 20-25
25-30 30-35
Т
5 10 15 20 25 30 Запас 137Сб, %
0
5
Запас 137Сб, %
0
Запас СБ, %
0
0
5
Рис. 1. Динамика изменения вертикальной миграции 137Cs в выщелоченных черноземах в период с 1988 по 2016 г.
Значительное влияние биотурбационных процессов на миграцию радионуклидов отмечали сотрудники НПО «Тайфун» в почвах 30 км зоны ЧАЭС [13]. Следует учитывать, что северная часть лесостепной зоны характеризуется наиболее выраженным по сравнению с центральной и южной провинциями промывным режимом, что также способствует миграции радионуклидов с фильтрационными водами.
Глубина проникновения в 2007-2016 гг.
возросла до 30-35 см. При этом удельные активности 13^ в слоях 0-2 и 2-5 см в 2010 г. практически сравнялись по своим значениям. Вместе с тем общий запас 13^ в слое 2-5 см в силу большей своей емкости в 1,5 раза превышал соответствующие значения в слое 0-2 см. Следует отметить, что с 2007 г. стадия активного перераспределения в слое 010 см практически завершилась и в дальнейшем
наблюдается стабилизация запасов в верхних слоях черноземных почв.
Согласно результатам параметризации двухком-понентной конвективно-диффузионной модели, скорость конвективного переноса «медленной» компоненты в черноземных почвах составляет 0,11 см/год [5]. В этом случае явно выраженный максимум концентрации через 30 лет после выпадений должен находиться на глубине 3,5 см. Вместе с тем в реально наблюдаемых условиях максимальная концентрация зафиксирована
по истечении указанного периода в верхнем слое почвенного профиля (рис. 2). Таким образом, использование конвективно-диффузионной модели для долгосрочного прогнозирования вертикальной миграции этого радионуклида недостаточно обосновано.
а)
б)
0
2
S
о 5
03
X s 10
ю 15
^ с;
20
25
о го
ю
0
0 2 5 10 15 20 25
0
500 1000 1500 2000 2500 3000 Содержание 137Cs, Бк/кг
Запас 292 кБк/м2
Рис. 2. Распределение 137С8 по почвенному профилю целинного участка лесополосы (а)
и лугового участка (б)
300 600 900 1200 1500 1800
Содержание 137Cs, Бк/кг Запас 224 кБк/м2
Наименьшее различие между концентрациями в слоях 0-2 и 2-5 см наблюдается на луговом участке. На участке лесополосы под кроной деревьев с отличными от луговых угодий условий в водно-воздушном режиме и жизнедеятельности почвенных животных содержание в слое 0-2 см в 1,1 раза выше, чем в слое 2-5 см и отмечается менее выраженная вертикальная миграция по почвенному профилю (рис. 2).
Таким образом, выпавшие на поверхность аг-роландшафтов радионуклиды, включаясь в биогеохимические и миграционные процессы, определяют специфические особенности складывающихся радиоэкологических ситуаций на разных видах сельскохозяйственных угодий. Выявлено, что в долгосрочный период времени происходит стабилизация распределения 137Cs по почвенному профилю. В связи с чем при планировании агро-
технических и агрохимических мероприятий, направленных на повышение плодородия почв и минимизацию накопления радионуклидов в растениеводческой продукции, следует проводить учет всей совокупности агро- и радиоэкологических факторов. С этой целью в каждом конкретном случае необходимо установить количественные параметры радиоактивного загрязнения и характер распределения радионуклидов по профилю почв.
Установлено, что конвективно-диффузионных представлений недостаточно для долгосрочного прогнозирования вертикальной миграции 137Cs. При разработке моделей, описывающих перемещение 137Cs в профиле черноземных почв, необходимо учитывать модифицирующие факторы, влияющие на распределение 137Cs, включая педо-, крио- и биотурбационные процессы.
Литература
1. Прохоров В.М. Миграция радиоактивных загрязнений в почвах. Физико-химические механизмы и моделирование. - М.: Энергоатомиздат, 1981. - 98 с.
2. Анохин В.Л. Моделирование процессов миграции радиоизотопов в ландшафтах. - М.: Атомиздат, 1974. - 144 с.
3. Санжарова Н.И., Котик В.А., Архипов А.Н., Соколик Г.А., Иванов Ю.А., Фесенко С.В., Левчук С.Е. Количественные параметры вертикальной миграции радионуклидов в почвах на лугах различных типов // Радиационная биология. Радиоэкология, 1996, т. 36, вып. 4. - С. 488-497.
4. Силантьев А.Н., Шкуратова И.Г. Изменение параметров миграции 137Cs в почвах // Атомная энергия, 1988, т. 65, вып. 2, № 8. - С. 137-141.
5. Радиоэкологические последствия аварии на Чернобыльской АЭС: биологические эффекты, миграция, реабилитация загрязненных территорий / Под ред. чл.-корр. РАН Н.И. Санжаровой и проф. С.В. Фесенко. - М.: РАН, 2018. - 278 с.
6. Кузнецов В.К., Калашников К.Г., Грунская В.П., Санжарова Н.И. Горизонтальная и вертикальная миграция 137Cs в склоновых ландшафтах // Радиобиология. Радиоэкология, 2009, № 3. - С. 282-290.
7. Кузнецов В.К., Санжаров А.И. Грунская В.П., Андреева Н.В. Агрохимические мероприятия в адаптивно-ландшафтном земледелии на радиоактивно загрязненных территориях // Агрохимический вестник, 2018, № 1. - С. 34-37.
8. Арастович Т.В. Влияние свойств почв на процесс вертикальной миграции радионуклидов // Известия Национальной академии наук Беларуси. Серия аграрных наук, 2004, № 2. - С. 23-25.
9. Подоляк А.Г. Влияние вертикальной миграции и форм нахождения 137Cs и 90Sr в почвах на их биологическую доступность на примере естественных лугов Белорусского полесья // Агрохимия, 2007, № 2. - С. 72-82.
10. Хекало Н.Л., Пучков Ю.Н. Динамика содержания радионуклидов в черноземах Тульской области / Материалы научно-практической конференции «Чернобыль: экология, человек, здоровье». - М.: ИБРАЭ РАН, 2006. - С. 270-280.
11. Фокин А.Д., Лурье А.А., Торшин С.П. Сельскохозяйственная радиология. - М.: Дрофа, 2005. - 367 с.
12. Гиляров М.С., Криволуцкий Д.А. Жизнь в почве. - М.: Молодая гвардия, 1985. - 191 с.
13. Булгаков А.А., Коноплев А.В., Попов В.Е. и др. Механизмы вертикальной миграции долгоживущих радионуклидов в почвах 30-километровой зоны ЧАЭС // Почвоведение, 1990, № 10. - С. 14-18.
