CC BY
86
АГРОЭКОЛОГИЯ: проблемы и решения
УДК 631.438
ЕСТЕСТВЕННЫЕ И ТЕХНОГЕННЫЕ РАДИОНУКЛИДЫ В ПОЧВАХ ПЛАВСКОГО РАДИОАКТИВНОГО ПЯТНА ТУЛЬСКОЙ ОБЛАСТИ
Н.А. Романцова
Институт глобального климата и экологии Росгидромета и РАН, e-mail: nata. romantsova@gmail. com
Современный радиационный фон Плавского радиоактивного пятна Тульской области формируется за счет естественных (40К, 232Th, 226Ra) и техногенных радионуклидов (137Cs). При этом доля 137Cs от общих запасов радионуклидов в почвах составляет 48-67%, а в составе растительной продукции - только 5-14%, что выявляет незначительные параметры перехода элемента из почв в растения.
Ключевые слова: радионуклиды, загрязнение почв, миграция в системе «почва-растение».
NATURAL AND TECHNOGENIC RADIONUCLIDES IN SOIL PLAVSK RADIOACTIVE SPOT IN TULA REGION N-А. Romantsova
The modern radiating background of the Plavsk radioactive spot in Tula region is formed at the expense of natural (40К, 232Th, 226Ra) and technogenic radionuclides (137Cs). Thus the share 137Cs from the general stocks of radionuclides in soils makes 48-67%, and as a part of vegetative production - only 5-14% that reveals insignificant parameters of transition of an element from soils in plants.
Keywords: radionuclide, contamination of soil, migration in «soil-plant» system.
Природный радиационный фон - естественное условие существования биосферы, которая возникла и развивалась при наличии естественных радионуклидов в составе литосферы, гидросферы и атмосферы. Большой вклад в естественную радиоактивность Земли вносят радионуклиды, входящие в ряды распада урана (226Яа) и тория (232ТИ), а также природный радиоизотоп К. Помимо естественных радионуклидов в окружающей природной среде находится большое количество искусственных (антропогенных) радионуклидов, и геохимическое и экологическое значение этой группы радионуклидов сопоставимо со значением природных аналогов. Так, 137Сб является одним из важнейших техногенных радионуклидов, поступивший в биосферу в результате испытания ядерного оружия в атмосфере в 60-х годах ХХ века, а также техногенных катастроф наиболее существенной из которых стала авария на Чернобыльской АЭС в 1986 г. В связи с длительным периодом полураспада радионуклида (~ 30 лет) и его прочной фиксацией в поверхностном слое почв в районах массовых атмосферных выпадений 137Сб в наземные экосистемы он до сих пор во многом определяет общую радиационную обстановку.
Основной ореол загрязнения наземных экосистем Тульской области радиоцезием получил название «Плавского радиоактивного пятна». Согласно данным Государственного экологического надзора, значения мощности экспозиционной дозы внешнего гамма-излучения в контрольной точке (г. Плавск) составляют ~0,3 мкЗв/час (при норме ~0,1 мкЗв/час) и мало изменяются от года к году [1, 2]. При этом плодородные почвы Тульской области интенсивно использовали и продолжают использовать в сельском хозяйстве.
Помимо увеличения внешних дозовых нагрузок на человека, обострение экологической ситуации может быть
связано с внутренним облучением при передаче радиоцезия по трофическим цепям, прежде всего в системе «почва-растение» тех фитоценозов, продукция которых используется непосредственно в пищевых целях или идет на корм крупному рогатому скоту. Это определяет актуальность прикладных аспектов изучения поведения техногенных радионуклидов в системе «почва-растение».
Для выяснения сравнительной экологической значимости современных уровней аккумуляции естественных (40К, 232ТЬ, 226Яа) и антропогенных (137Сб) радионуклидов в почве и компонентах растительного покрова Плавско-го радиоактивного пятна проводили определение их содержания в агрофитоценозах основных культур полевого севооборота (яровая пшеница сорта Мис, яровой ячмень сорта Нур, картофель Журавлинка) и в природных луговых фитоценозах злаково-разнотравного суходольного луга (используемого как пастбище) и влажного разнотравно-злакового пойменного луга р. Локна (травостой которого может подвергаться сенокошению).
Агрофитоценозы пропашных и зерновых культур располагались на возвышенной и относительно выположен-ной части водораздельной поверхности, что определяет их принадлежность к элювиальному ландшафту. Фитоценоз суходольного луга располагался в нижней присклоно-вой части водораздела и приурочен к транзитно-аккуму-лятивному ландшафту. Влажный луг находился в пойме р. Локна и приурочен к аккумулятивному ландшафту.
Объектом изучения была почва и продуктивная часть растений (зерно пшеницы и ячменя, клубни картофеля). В природных фитоценозах исследовали надземную часть фитомассы, которую используют (или могут использовать) на корм крупному рогатому скоту.
Надземную часть фитомассы определяли методом сплошных укосов с площадок 50 х 50 см, клубни карто-
феля отмывали из монолитов почв 25 х 25 см и глубиной 30 см (основной корнеобитаемый слой). Одновременно на каждой площадке отбирали образцы почв с глубины 0-30 см. Все исследования проводили в 4-кратной по-вторности. Содержание 13^, 40К, 232ТЬ, 22<^а в почвах и растительности определяли на сцинтилляционном гамма-спектрометре с обработкой амплитудного спектра импульсов с помощью программы ПРОГРЕСС. Относительная погрешность определения удельной активности радионуклидов составляла 10-45%.
Современные уровни удельной активности радионуклидов (13^, 40К, 232ТЬ, 226Ra) в почвах исследуемой части Плавского радиоактивного пятна существенно отличаются (табл. 1 и 2). Наибольшие величины удельной активности в почвах исследуемых фитоценозов отмечены для 137Cs и 40К. При этом естественные радионуклиды за исключением 22<6Яа относительно равномерно распределены по всей исследуемой территории. Последний, как правило, не образует собственные минералы, а присутствует в них в рассеянной форме [3].
Допустимое значение эффективной удельной активности (Аэфф), обусловленной суммарным воздействием на население природных источников излучения, для почв не устанавливается. Подобный норматив разработан лишь для щебня, а также песчаных и глинистых грунтов, которые могут быть использованы в качестве строительных материалов (СанПиН 2.6.1.2523-09). Однако если рассчитать условную величину Аэфф для почв Плавского радиоактивного пятна, то обнаруживается полное соответствие характеристик содержания основных естественных радионуклидов нормам радиационной безопасности и отсутствие на изучаемой территории каких-либо ограничений в отношении природного гамма-фона.
Иная картина наблюдается в отношении присутствия в наземных экосистемах Плавского радиоактивного пятна
137 137
техногенного Cs. Уровни удельной активности Cs в почвах исследованной части Плавского радиоактивного пятна составляют ~500-1100 Бк/кг, что соответствует плотности поверхностного радиоактивного загрязнения ~200-430 Бк/м2 (или 5-12 Ки/км2) и относит ландшафт к зоне проживания с правом на отселение, в которой производство растениеводческой продукции разрешено, но рекомендуется контроль содержания в ней радионуклидов [4]. При этом, если содержание естественных радионуклидов в почвах территории изменяется в относительно узких пределах (коэффициент вариации 7-20%), то уров-
ни аккумуляции в почвах чернобыльского 137Cs распределены в пространстве достаточно контрастно (коэффициент вариации 40%). Так, величины удельной активности и запасов 137Cs в слое 0-30 см расположенного в подножье склона целинного чернозема суходольного луга и в аллювиальной почве влажно-лугового фитоценоза в 1,5-2 раза больше, чем в пахотных черноземах водораздельного пространства (табл. 2). Рассматриваемые почвы служат в наземных экосистемах конечным звеном миграции веществ, поступающих в составе латерального твердого стока из элювиальных ландшафтов [5, 6].
Таким образом, почвы геохимически подчиненных позиций рельефа на территориях, пострадавших вследствие Чернобыльской аварии, аккумулируют существенно большее количество радиоцезия, и плотность их радиоактивного загрязнения в настоящее время существенно выше, чем у почв водоразделов. В этих условиях зерно пшеницы, ячменя, клубни картофеля и травостой луговых растительных сообществ характеризуются относительно высокими величинами удельной активности 40К, которые во много раз превышают уровни концентрации других радионуклидов природного и техногенного происхождения - 13^, 232ТЬ, 22^а (табл. 3). При этом следует отметить, что значения содержания радиоизотопа калия в продуктивной части всех исследуемых фитоценозов находятся в одном диапазоне величин и составляют -228-286 Бк/кг. Это подтверждает, что 40К, как и его стабильные изотопы, является неотъемлемой частью растений и необходим для их нормального развития [3].
Абсолютные величины удельной активности остальных исследуемых радионуклидов меньше чем у 40К, так как известно, что 232ТЬ, 22&Яа в отличия от радиоизотопов калия не являются жизненно необходимыми элементами для растений [6].
Наименьший показатель величины удельной активно-
137 232
сти обнаруживается для Cs, который подобно ТЬ, 22%1 не является биогенным элементом и даже выступает в роли токсиканта. Величины удельной активности 137Cs в продуктивной части растительности исследованных фи-тоценозов в целом близки или ниже, чем у естественных радионуклидов тория и радия, и ранжируются по убыванию следующим образом: суходольный луг (злаково-разнотравный) > картофель > влажный луг (разнотравно -злаковый) > ячмень, пшеница. Это во многом определяется составом растительных сообществ и биологическими
1. Удельная активность природных радионуклидов в почвах Плавского радиоактивного пятна
Удельная Агрофитоценозы Фитоценозы
активность, Бк/кг пшеница ячмень картофель суходольный луг влажный луг
40К 473,43 553,89 512,5 465,13 527,44
232ТЬ 32,14 40,86 52,40 43,64 49,07
226Яа 39,65 12,15 25,6 44,1 4,14
Аэфф 124,0 115,1 139,8 142,7 115,4
Почва Черноземы выщелоченные Аллювиальная луговая карбонатная
137
2. Удельная активность техногенного Cs в почвах Плавского радиоактивного пятна
Показатель Аг рофитоценозы Фитоценозы
пшеница ячмень картофель суходольный луг влажный луг
Удельная активность, Бк/кг 494,5 623,8 537,1 1121,2 1038,8
Плотность загрязнения, кБк/м2 197,5 271,9 177,2 426,1 388,8
Почва Черноземы выщелоченные Аллювиальная луговая карбонатная
3. Распределение величин удельной активности естественных и техногенных радионуклидов в продуктивной части растений на территории Плавского радиоактивного пятна
Удельная активность, Бк/кг Агрофитоценозы Фитоценозы
пшеница (зерно) ячмень (зерно) картофель (клубни) суходольный луг влажный луг
13/СЗ 14,1 16,7 39,3 52,9 20,0
40К 228,2 286,1 254,2 276,5 249,0
232ТЙ 30,2 27,6 22,6 51,0 8,4
226Яа 21,5 19,9 21,9 8,6 10,6
4. Коэффициенты биологического накопления естественных и техногенных радионуклидов
в растительной продукции
Удельная активность, Бк/кг Агрофитоценозы Фитоценозы
пшеница ячмень картофель суходольный луг влажный луг
Техногенные радионуклиды
137СЗ 0,03 0,03 0,07 0,05 0,02
Естественные радионуклиды
40К 0,5 0,5 0,5 0,6 0,5
232ТЙ 0,9 0,7 0,2 1,2 0,2
226Яа 0,5 1,6 0,9 0,2 2,6
особенностями его доминантных видов, поскольку известно, что злаки накапливают в своей надземной части наименьшее количество радиоактивного 137 Cs [3]. Кроме того, известно, что листья и стебли накапливают больше радионуклидов, чем генеративные органы [5].
Потребление радионуклидов из почвы растениями зависит от многих факторов: физико-химических свойств радионуклида, почвенных свойств и режимов, биологических особенностей растений, агротехники возделывания культур, условий текущего вегетационного периода.
Коэффициенты биологического накопления (отношение величин удельной активности радионуклидов в сухой массе продуктивной части растений и в почве) природного 40К в исследуемых фитоценозах составляют около 0,5-0,6, для 232та и 22<^а варьируют в более широких пределах 0,2-2,6 (табл. 4).
Относительно невысокие значения коэффициентов накопления 40К в зерне пшеницы, ячменя и травостое природных лугов могут определяться оттоком ионов калия из зрелых и полуотмерших к концу вегетационного сезона листьев и генеративных органов, что характерно для временной динамики содержания элемента в растениях (СанПиН 2.3.2.1078-01). 2321Ъ может легко извлекаться из минеральной фракции почв благодаря корневым выделениям растений, однако для элемента существует корневой биологический барьер [3, 7], поэтому коэффициент его биологического накопления обычно ниже единицы. Наибольшие отдельные значения коэффициента биологического накопления были обнаружены для 22<^а в агрофитоценозе ячменя и разнотравно-злаковом влажном луге, хотя в других растительных сообществах отмечалось слабое накопление радионуклида в продукции. Известно, что в черноземах лесостепных районов радий прочно фиксирован в слаборастворимых гу-матах и сульфатах Са и Ва, однако в ряде случаев радий в природных условиях имеет высокую миграционную подвижность, поэтому для него характерны коэффициенты биологического накопления > 1 [7].
Наименьший коэффициент накопления в растениях во всех исследованных фитоценозах (< 0,1) обнаруживался для 137 Cs, что говорит о его низком биологическом потреблении и отсутствии избирательного поглощения элемента из почвы.
Балансовые оценки долевого участия исследуемых радионуклидов в формировании общего дозового эффекта в растительной продукции (культурных злаках, картофеле и поедаемой части луговых трав) показали, что основная часть гамма-излучения приходится на долю естественного радионуклида 40К, которая составляет ~71-87%. Доли остальных радионуклидов в общем балансе их содержания в растительной продукции сравнительно близки и варьируют в зависимости от биологических особенностей сельскохозяйственной культуры или вида дикорастущих трав: 137Сб - 5-14%, 232Тй - 3-13%, 226Яа - 2-7%.
Несмотря на то, что радиоцезий не вносит решающий вклад в общий баланс содержания радионуклидов в биомассе растительной продукции из всех исследуемых радионуклидов гигиенические требования безопасности пищевых продуктов предъявляются только к нему (СанПиН 2.3.2.1078-01). Проведенные исследования показали, что современное радиоэкологическое качество продукции растениеводства (культурных злаков, картофеля и поедаемой части луговых трав) на территории Плавского радиоактивного пятна в отношении уровней накопления 137Сб соответствует нормам допустимости накопления (табл. 5).
5. Оценка качества продукции в отношении
137
уровня накопления Cs на территории Плавского радиоактивного пятна, Бк/кг
Продукция Накопление Нормативные
уровни
Пшеница и ячмень 14-17 70
Картофель 39 600
Луговые травы 20-54 370
Таким образом, хотя в Тульской области сохраняется напряженная радиологическая обстановка, связанная с повышенными уровнями аккумуляции 137Cs в почвах, переход радионуклида из почв в потребляемую часть растительной продукции имеет относительно незначительные параметры, при которых вклад 137Cs в формирование общей дозы гамма-излучения не превышает 5-14%.
Это согласуется с оценками, проведенными на основе анализа обширной базы данных проекта МАГАТЭ «Environmental Modeling for Radiation Safety», в кото-
рых определяется экологическая безопасность получения урожая зерновых и многолетних трав на радиоактивно загрязненных землях суглинистого состава при плотности поверхностного загрязнения почв 1000-2000 кБк/м2 и 3000-900 кБк/м2 соответственно [7, 8]. В этой связи правильный подбор культур сельскохозяйственного севооборота, агротехнических и агрохимических мероприятий, а также контроль содержания 137Cs в почвах и растениях способны обеспечить приемлемое в радиоэкологическом отношении качество растениеводческой продукции.
Литература
1. Государственный доклад о состоянии и об охране окружающей среды Российской Федерации в 2009 г. - М., 2010. - 452 с.
2. Государственный доклад о санитарно-эпидемиологической обстановке в Тульской области в 2009 г. - Тула, 2010. - 171 с.
3. Сельскохозяйственная радиоэкология / ред. Р.М. Алексахин, Н.А. Корнеев. - М., 1992. - 400 с.
4. Закон от 15 мая 1991 г. № 1244-1 «О социальной защите граждан, подвергшихся воздействию радиации, вследствие катастрофы на Чернобыльской АЭС».
5. Кузнецов В.К., Санжарова Н.И. Горизонтальная миграция искусственных радионуклидов при различной степени задерновоности поверхности почв // Экология, 1997, № 2. - С. 150-152.
6. Титаева Н.А. Ядерная геохимия Учебник Издательство: МГУ. Издательство, 2000 г. - 336 с.
7. Санжарова Н.И., Фесенко С.В., Шубина О.А., Исамов Н.Н., Санжаров А.И. Пересмотр параметров миграции радионуклидов в агроэкосистемах // Радиационная биология. Радиоэкология, 2009, Т. 49, № 3. - С. 268-276.
8. Спиридонов С.И., Мошаров О.В., Соломатин В.М., Панов А.В., Фесенко С.В. Оценка степени загрязнения почв 137 Cs, допускающей получение нормативно чистой сельскохозяйственной продукции, на основе математических моделей перехода радионуклида в растения // Сельскохозяйственная биология, 2008, № 5. - С. 53-57.
УДК 631.862
ПРОБЛЕМЫ ПРОИЗВОДСТВА И ХРАНЕНИЯ БЕСПОДСТИЛОЧНОГО НАВОЗА
С.И. Тарасов, к.б.н.
ВНИИ органических удобрений Россельхозакадемии, e-mail: [email protected]
В статье показана проблематика использования бесподстилочного навоза, помета в хозяйствах страны. Представлены перспективные направления развития технологий и технических средств производства и хранения полужидкого и жидкого навоза, помета, а также животноводческих стоков.
Ключевые слова: навоз, помет, животноводческие стоки, производство, хранение, перспективные технологии, технические средства.
QUESTIONS AND TASKS OF PRODUCTION AND STORAGE OF LIQUID MANURE
S.I. Tarasov
The article shows the problems of the use of liquid manure in the farms of the country. The prospective directions of development of technologies and technical means ofproduction and storage of semi-liquid, liquid manure, dung and livestock wastes.
Keywords: manure, dung, livestock wastes, production, storage, perspective technologies, technical means.
Индустриализация животноводства в Российской Федерации осуществляется с учетом мировой практики введения в эксплуатацию мегакомплексов и мегаферм. Вместе с тем многочисленные животноводческие комплексы и птицефабрики в РФ построены и введены в эксплуатацию с бесконечным уточнением и корректировкой технологических проектов, а также без учета экологических последствий их деятельности, что обусловило резкое увеличение нагрузок на окружающую среду, в первую очередь, из-за несовершенства технологий утилизации бесподстилочного навоза и помета (таблица).
Прогноз выхода навоза и помета в сельско-
хозяйственных организациях РФ, млн. т
Вид органических удобрений 2010 г. 2020 г.
Подстилочный навоза и помет 35,6 45
Полужидкий навоз и помет 44,3 60
Жидкий навоз и помет 62,3 140
Навозные стоки 38,1 60
Компосты 42,9 55
Всего, физическая масса 223,2 360
в пересчете на подстилочный навоз 132,2 178
