CC BY
100
Это связано в значительной степени с выщелачиванием карбонатов из верхних горизонтов и их частичной аккумуляцией в нижних. Также в формировании щелочной среды играют роль почвообразующие карбонатные породы. При различных типах почвообразования скорость процесса выщелачивания карбонатов кальция неодинакова, встречаются и осадочно-карбонатные почвы, вскипающие с поверхности. Во всех типах почв наблюдается горизонт максимальной аккумуляции карбонатов, глубина залегания которого обусловливается положением почвы в рельефе и проявлением конкретных почвообразовательных процессов. В этих горизонтах образуется щелочной геохимический барьер на пути радиальных и латеральных потоков при миграции химических элементов в почвенных растворах в условиях транзитных геохимических ландшафтов [1, 2].
Присутствие мощных карбонатных горизонтов со значительным содержанием карбонатов является фактоБиблиографический список
ром, во многом определяющим процессы миграции и аккумуляции элементов группы железа [3, 4].
Наибольшее накопление карбонатов в исследуемых почвенных профилях обнаружено в горизонтах, где они встречаются в форме пропитки, корочек на нижней поверхности щебня, гальки, валунов. В меньшем количестве карбонаты накапливаются в горизонтах, где они находятся в псевдомицелярной форме.
Таким образом, в случае затопления карбонаты карбонатных горизонтов будут являться ведущим фактором, определяющим баланс ионов бикарбоната в водных экосистемах, а в почвах сопряженных ландшафтов с водохранилищем представлять доминирующий щелочной барьер, предотвращающий поступление тяжелых металлов и радионуклидов в водохранилище.
Работа выполнена при поддержке грантов РГНФ 07-06-18019е и РФФИ 06-08-00438а.
1. Перельман, А.И. Геохимия ландшафта / А.И Перельман, Н.С. Касимов. - М.: Астрея-2000,1999. - 768 с.
2. Ландшафтно-геохимические основы фонового мониторинга природной среды / М.А. Глазовская, Н.С. Касимов, Т.А. Теплицкая [и др.] - М.: Наука, 1989. - 264 с.
3. Якушевская, И.В. Микроэлементы в природных ландшафтах / И.В. Якушевская. - М.: Изд-во МГУ, 1973. - 136 с.
4. Лукашев, К.И. Геохимическое поведение элементов миграции / К.И.Лукашев. - Минск, 1964.
Материал поступил в редакцию 03.12.07.
УДК 631.4
И.А. Егорова, А.В. Пузанов, С.Н. Балыкин, А.В. Салтыков, И.В. Горбачев
ЕСТЕСТВЕННЫЕ РАДИОНУКЛИДЫ (238и, 232ТИ, 40К) В ВЫСОКОГОРНЫХ ПОЧВАХ СЕВЕРО-ЗАПАДНОГО АЛТАЯ
Выявлены закономерности внутрипрофильного распределения естественных радиоактивных элементов (238и, 232ТИ, 40К) в горно-тундровых и горно-луговых почвах Северо-Западного Алтая. Определена степень влияния физико-химических свойств почв на уровень концентрации радионуклидов.
Радиоактивность и сопутствующее ей ионизирующее излучение - явления не новые. Они существовали задолго до зарождения жизни на Земле и присутствовали в космосе до возникновения самой планеты. Значительную часть облучения живые организмы получают от естественной радиации, источниками которой служат природные образования (месторождения радиоактивных и некоторых других полезных ископаемых, горные породы, содержащие естественные радионуклиды в повышенных концентрациях, природные воды, в том числе в районах нефтедобычи, с высоким содержанием урана, тория и продуктов их распада - радия и радона), а также промышленные предприятия, ведущие добычу и глубокую переработку руд, и ТЭЦ, работающие на углях, горючих сланцах и торфах с высоким содержанием радиоактивных элементов.
Цель и задачи исследования
Цель исследования - изучить особенности распределения естественных радионуклидов в горно-тундровых и горно-луговых почвах Северо-Западного Алтая.
Задачи:
1) исследовать внутрипрофильное распределение естественных радионуклидов в горно-тундровых и горнолуговых почвах Северо-Западного Алтая;
2) изучить связь уровня концентраций радионуклидов с физико-химическими свойствами почв;
3) оценить уровень концентраций естественных радионуклидов с экологических позиций.
Объекты и методы исследования
Объекты исследования - горно-тундровые и горнолуговые почвы в бассейнах рек Чарыш и Алей.
Горно-тундровые почвы формируются в верхней части высокогорного пояса в условиях низких температур и значительного атмосферного увлажнения под моховой, лишайниковой, кустарниковой и травянистой растительностью на щебнисто-каменистом элювии или элювио-делювии сланцев, гнейсов, песчаников и гранитов.
Горно-луговые почвы развиваются на суглинистом сильнощебнистом элювии, элювио - делювии (гранитов, песчаников, сланцев), на ледниковых и делювиальных отложениях. Формирование профиля исследуемых почв осуществляется в жестких температурных условиях. Среди почв преобладают легко- и среднесуглинистые разновидности. Песок и крупная пыль являются основной составляющей мелкозема.
Физико-химические свойства почв были охарактеризованы нами ранее [15] и в таблице 1.
Таблица 1
Физико-химические свойства высокогорных почв и внутрипрофильное распределение естественных радионуклидов
Генети- ческий горизонт Глубина образца, см рН Углерод валовой Физ. глина Ил 2ЗВи 232Th, 40K
% Бк/кг
Горно-тундровые
Горно-тундровая автоморфная, Тигирекский хребет, бассейн р. Иня. Разрез 9
Ад 0-9 б,4 4,9 2б,З З,7 З9,1 33,1 5Вб,5
А1 10-20 5,4 4,5 З0,б З,В 42,В 34,1 Вб5
Ві 20-З0 5,2 1,2 З4,4 5,В 27,З 25,4 734
ВС З5-45 4,9 1,б 41,7 10,1 ЗВ,1 32,9 В41
С 50-б0 5,1 1,5 З5,В 14,9 31,7 30,5 71б
Ат 0-10 4,7 7,1 24,4 В,2 42,7 2б,б 50б
С 20-З0 5,0 1,З 29,З 12,5 З2,5 2б,4 бВ2
Горно-тундровая, Тиги рекский хребет, бассейн р. Иня. Разрез 12
аі 2-10 4,5 5,З З0,В 7,9 27,4 19,3 301,5
АС 10-20 4,б 4,9 З7,1 12,7 З7,б 25,1 424
С З0-З5 5,0 3,7 З5,б 9,1 З2,2 25,В 407
Горно-тундровая торфяно-перегнойная, Тигирекский хребет, бассейн р. Иня. Разрез 14
Ат 0-10 5,1 25,2 12,2 1,0 15,4 10,9 15В
Ап 10-15 4,б 1б,4 2б,5 В,1 - - -
ВС 20-25 4,9 4,В З4,2 14,7 2б,З 2В,1 б07
Го] эно-тундровая, верховье р.Коргон. Разрез 5
Ад 0-10 - - - - 31,9 24,5 379,5
АВ 10-15 - - - - 21,В 2б,В 395,5
В 20-25 - - - - 29,5 31,5 47В
Горно-тундровая олуговелая, верховье р.Коргон. Разрез 7
Ад 0-10 - - - - 20,4 21 2б5
АВ 10-20 - - - - 24,7 19,В 309,5
В 25-З5 - - - - 31,1 23,3 342
ВС 50-б0 - - - - 24,7 19,1 2б4
Горно-луговые
Горно-луговая, Тигерекский хребет, бассейн р. Белая. Разрез 03
Ад 0-В 4,З 1З,В б,7 0,0 35,9 25,3 379
АВ 10-20 4,5 З,5 4З,В 1З,4 41,4 39 59В
В 20-З0 4,9 2,1 З4,0 1В,0 4б,5 41,4 б2В
ВС 40-В0 4,В 2,2 З9,б 1В,5 54,9 4б,4 574
С > В0 7,1 0,2 50,б З4,З 53,0 49,3 б92
Го рно-луговая, Тигерекский хребет, бассейн р. Иня. Разрез 11
Ад 0-10 4,5 б,2 12,2 5,б 27,4 13,5 210
А1 10-20 4,б 4,б 27,0 7,2 35,9 9,4 1В5
Горно-луговая, Тигерекский хребет, бассейн р. Иня Разрез 15
Ад 0-10 5,2 11,5 2З,1 12,2 22,5 2В,3 5бб
Горно-лугово-степная, бассейн р. Белая. Разрез 4
Ад 0-10 - - - - 25,5 20,0 27В
АС 10-20 - - - - 29,б 55,В 4ВВ
С 50-б0 - - - - 17,7 1б,2 99В
Горно-луговая., верховья р.Коргон. Разрез б
Ад 0-10 - - - - 30,2 22,5 322
АВ 10-20 - - - - 47,9 23,2 349
В 40-50 - - - - 21,2 33,5 474
Горно-луговая, Королевский белок. Разрез В
Ад 0-10 - - - - 30,3 17,2 1б4,5
А 10-20 - - - - 4В,9 1В,9 347
АВ З0-40 - - - - 1В,З 15,1 173
В 50-б0 - - - - В,б 7,0 312
Примечание: прочерк - не определяли
Почвенные разрезы закладывали в системе ландшафтно-геохимических катен, охватывающих все элементы высокогорного рельефа.
Естественные радионуклиды определяли гамма -спектрометрическим методом [1].
Физико-химические свойства почв определяли общепринятыми в почвоведении методами.
Результаты и их обсуждение
Доминирующая часть естественной радиоактивности почв связана с радиоизотопами, которые образуют три радиоактивных семейства - урана (родоначальник 238и; период полураспада Т1/2 = 4,5 • 109 лет), актиния (родоначальник 235и; Т1/2 = 7,1 • 108 лет) и тория (родоначальник 232ТЬ; Т1/2 = 1,4-1010 лет). Существенный вклад в естественную радиоактивность почв вносит долгоживущий радиоактивный изотоп 40К (Т1/2 = 1,3-109 лет)[2].
Уровень радиоактивности почв зависит от содержания естественных радионуклидов (ЕР) в почвообразующих породах. Максимальная радиоактивность обнаружена в почвах, сформированных на кислых магматических породах, а наиболее высокая концентрация радионуклидов наблюдается в мелкодисперсной фракции почв - в глинистых частицах. Кроме того, уровень радиоактивности почв зависит от ландшафта, климатических условий, процессов вертикальной и горизонтальной миграции в почвах, их биологической аккумуляции и тд. [3].
По отношению к исходным почвообразующим породам в процессе почвообразования изменяются как собственно содержание естественных радионуклидов, так и характер их распределения в пределах сформировавшихся почвенных профилей. Эти изменения определяются как свойствами радионуклидов, так и физикохимическими особенностями почв, процессов почвообразования. Поэтому не удивителен факт существенно различных содержаний естественных радионуклидов в почвах разных климатических зон и сформированных на различных породах [4].
В процессе почвообразования происходит их перераспределение, тем не менее, влияние особенностей химического состава горных пород долго сохраняется. Тождество между радиоактивным составом почв и горных пород должно четко проявиться в горных районах, где почвы маломощны и развиты часто непосредственно на элювии или элювио-делювии горных пород.
Почвообразующие породы в Северо-Западном Алтае представлены элювиально-делювиальными образованиями преимущественно четвертичного возраста. Небольшой по мощности чехол элювио-делювия покрывает склоны гор, сглаженные вершины и седловины и представлен мелкозернистым, в различной степени скелетным материалом. По гранулометрическому составу мелкозем колеблется от супесчаного до тяжелосуглинистого.
Гранулометрическое и петрографическое разнообразие верхних горизонтов четвертичной коры в регионе исследования обуславливают широкий диапазон концентраций изучаемых радиоактивных элементов (см. табл. 1).
Уран - 238 в почвах находится в форме и022+, который образует с органическим веществом почвы хорошо растворимые комплексы. Геохимическими барьера-
238
ми для и выступают сильно окислительные условия, наличие фосфора и других химических осадителей, глинистое и органическое вещество [5].
Значительные запасы 238и обнаружены в почвах вы-
сокогорий (горно-тундровые, горно-таежные, горнолуговые, горно-лугово-степные), что объясняется формированием их в большей степени на коренных гранитных массивах.
238
На поведение и в почвах оказывают воздействие физико-химические свойства почв. Содержание 238и очень зависит от гранулометрического состава почвы.
В целом количество 238и в почвообразующей породе в большинстве случаев выше, чем в гумусовоаккумулятивном горизонте.
Распределение 238и по профилю почв находится в зависимости от их генетических особенностей. Отмечается заметная аккумуляция 238и в верхних, обогащенных органическим веществом, горизонтах. В гумусе почв может быть сосредоточено до 32% 238и от его валового содержания в гумусовом горизонте. Максимальные количества 238и сорбируются на коллоидах гуминовых и фульвокислот и оксидов железа при рН 5-6. Таким обра-
238
зом, для и характерен аккумулятивно-элювиальный тип накопления.
Органическое вещество почвы оказывает значительное влияние на подвижность ионов. При этом необходимо учитывать многофункциональность гумуса (сорбционные способности, образование растворимых комплексов, экранирование поверхности минеральных частиц, восстановительная способность) [6]. 238и образует растворимые комплексы с органическими кислотами, что увеличивает его подвижность в почве. Сорбция же 238и органо-минеральным комплексом снижает его доступность растениям, но не препятствует его перемещению по профилю почв в составе этого комплекса [7].
Существенным фактором, определяющим особенно-
238
сти поведения и, является его высокая массовая концентрация в почвах, в силу чего в поведении радионуклида более значимую роль играют химические свойства самого элемента, нежели стабильные аналоги.
Среднее содержание урана-238 в исследуемых почвах находится на уровне кларка и составляет 34,8 Бк/кг. Для некоторых почвенных разрезов отмечается биогенное накопление. Наиболее высокий уровень удельной активности урана-238 характерен горно-луговым почвам.
Удельная активность 238и в горно-тундровых почвах Северо-Западного Алтая варьирует незначительно (см. табл. 1), максимальный уровень удельной активности урана, составляет 42,8Бк/кг.
Распределение удельной активности 238и по профилю почв носит аккумулятивный и аккумулятивноиллювиальный характер.
Торий-232
Довольно распространенный (кларк 0,0012%), еще мало используемый высокотоксичный металл (особенно вредно ионизирующее излучение) [8].
Для тория, как и для урана, в некоторых случаях наблюдается заметная аккумуляция в верхних, обогащенных органическим веществом, горизонтах [9]. 232ТЬ в почвах менее подвижен, чем 238и, он почти полностью сорбируется при взаимодействии почв с растворами -степень сорбции равна 98,3-99,9%. 232ТЬ образует нерастворимые комплексные соединения с органическими компонентами почвы. Сорбция 232ТЬ почвами тесно связана с содержанием илистой фракции. Для 232ТЬ отмечена прямая связь между рН и емкостью поглощения [10]. В зависимости от свойств почв в одних случаях отмечается наличие положительной связи между содержанием радиоизотопов тория и количеством органического ве-
щества в почве [11], в других - эта зависимость выражена слабее. В ряде случаев для 232ТЬ характерна минеральная форма накопления в почвах [12]. Это подтвер-
232
ждается наличием связи между содержанием Тп в почве и содержанием фракций 0,1-0,05 и 0,05-0,01 мм, которые входят в кристаллическую решетку минералов.
Источником загрязнения внешней среды 232ТЬ является широкое применение фосфорных удобрений, где содержание его колеблется от 1,5 до 25 Бк/кг [13].
Ключевым фактором, обусловливающим поведение
232
Тп, является его высокая массовая концентрация в почвах, в силу чего доминирующую роль в поведении радионуклида играют химические свойства самого элемента.
Во всех почвах 232Тп находится в прочносвязанных формах (80%), содержание его в обменных и кислоторастворимых форах в сумме не превышает 10 %.
Удельная активность 232ТЬ в горно-тундровых почвах Северо-Западного Алтая варьирует незначительно (см. табл.1). В среднем удельная активность радионуклида составляет 25,5 Бк/кг. Максимальный уровень удельной активности тория для горно-тундровых почв составляет 34,1 Бк/кг. Максимальный уровень удельной активности тория для горно-луговых почв составляет 49,3Бк/кг (см. таб. 1).
Характер внутрипрофильного распределения 232ТЬ в почвах неодинаков, что объясняется формированием этих почв на разных почвообразующих породах. Среднее содержание ТЬ-232 в почвах Алтайского края составляет 23,4 Бк/кг, что соответствует фоновой концентрации этого радионуклида в педосфере исследуемого региона.
Калий-40
Основное количество 40К поступает на Землю с метеоритным веществом (частицы массой 10-14г), возможно также за счет мантийного источника.
В большинстве случаев калий-40 относительно накапливается в почвенном горизонте А. Вынос калия особенно типичен для кор выветривания и почв влажных тропиков, где калий попадает в группу наиболее подвижных катионов (Ыа>Са>М^>К) и удаляется из верхних горизонтов. В лесных ландшафтах умеренного и
Библиографический список
1. Бобров, В.А. Лабораторный гамма-спектрометрический анализ естественных радиоактивных элементов / В.А. Бобров, А.М. Гофман // Метод. разраб. - Новосибирск: ИГиГ СО АН СССР, 1971. - 68 с.
2. Волков, Г.Д. Радиобиология / Г.Д. Волков, В.А Липин, Д.П. Черкасов. - М.: Колос, 1964. - 232 с.
3. Частотное распределение концентраций радия-226, тория-228 и калия-40 в различных почвах // В.Ф. Дричко, Б.Э. Крисюк [и др.] // Почвоведение. - 1977. - № 9. - С. 75-80.
4. Тяжелые естественные радионуклиды в биосфере: Миграция и биологическое действие на популяции и биогеоценозы / Р.М. Алексахин, Н.П. Архипов. Р.М. Бархударов [и др.] - М.: Наука. - 1990. - 368 с.
5. Кабата-Пендиас, А. Микроэлементы в почвах и растениях / А. Кабата-Пендиас, Х Пендиас. - М.: Мир, 1989. - 440 с.
6. Евсеева, Л.С. Восстановление урана природными органическими веществами // Химия урана. - М.: Наука, 1981. - С. 52-57.
7. Титаева, Н.А. Миграция тяжелых естественных радионуклидов в условиях гумидной зоны / Н.А. Титаева, А.И. Таскаев. - Л.: Наука, 1983. - 252 с.
8. Журавлев, В.Ф. Токсикология радиоактивных веществ. - М.: Наука, 1982.
9. Баева, А.И. Содержание урана и тория в почвах и растениях горной части Ленкоранской области / А.И. Баева, А.Б. Ахундова // Изв. АН АзССР, сер. биол. наук. - 1981. - №1 - С. 56-59.
10. Радиоэкология орошаемого земледелия / Под ред. Р.М. Алексахина. - М.: Энергоатомиздат, 1985. - 224 с.
11. Шуктомова, И.И. Изотопы урана и тория в почвах средней тайги района повышенной естественной радиоактивности // Радиация как экологический фактор при антропогенном загрязнении. - Сыктывкар: Коми фил. АН СССР, 1984. - № 67. - С. 28-36.
12. Таскаев, А.И. Миграция изотопов уранового и ториевого рядов в почвенно-растительном покрове территорий с естественно и антропогенно и повышенной радиоактивностью // Инф. бюл. Науч. совета по проблемам радиобиологии АН СССР. - 1983. - № 28. - С. 34-37.
13. Сельскохозяйственная радиоэкология / Р.М. Алексахин, А.В. Васильев, В.Г. Дикарев [и др.] - М.: Экология, 1992 - 344 с.
14. Иванов, В.В. Экологическая геохимия элементов. - М.: Недра, 1994. - 304 с.
15. 137Сэ в высокогорных почвах Северо-Западного Алтая / А.В.Пузанов, И.А. Егорова, А.В.Салтыков [и др.] // Мир науки, культуры, образования. - 2007. - №3 (5). - С. 60-63.
Материал поступил в редакцию 03.12.07.
холодного климата калий мигрирует значительно слабее, но характерен его дефицит для растений. Кислотное выщелачивание с выносом калия распространяется здесь лишь на горизонты А1 и А2 подзолистых почв, тогда как из иллювиального горизонта В вынос ослаблен [14].
40ту
К-по активности один из основных естественных радионуклидов в почвах, растениях. Учитывая это, введено понятие «калийный фон», отражающее вклад 40К в суммарное содержание радионуклидов.
Варьирование удельной активности 40К в исследуемых почвах более высокое, средняя удельная активность составляет 487,4 Бк/кг (см. табл. 1). Максимальный уровень удельной активности калия для горно-тундровых почв составляет 865 Бк/кг. Максимальный уровень радиоизотопа для горно-луговых почв составляет 998 Бк/кг (см. табл. 1).
Характер внутрипрофильного распределения 40К в почвах различен, что объясняется формированием этих почв на разных почвообразующих породах В большин-
40
стве случаев К относительно накапливается в гумусовом горизонте.
Внутрипрофильное распределение естественных радионуклидов, в целом, носит аккумулятивный (разрез № 9) и аккумулятивно-регрессивный характер (разрезы 10, 11, 12, 14) (см. табл. 1).
Таким образом, выявлена существенная неоднородность в содержании естественных радиоактивных элементов в почвах Северо-Западного Алтая, обусловленная контрастностью почвообразующих пород, физикохимическими свойствами почв, ландшафтногеохимическими условиями миграции и аккумуляции элементов.
Одинаковые по происхождению почвообразующие породы Северо-Западного Алтая различаются между собой по содержанию этих элементов.
Работа выполнена при поддержке грантов РГНФ 07-06-18019е и РФФИ 06-08-00438а.
