CC BY
164
УДК 574:539.1.04[591.5+536.16]
ББК 28.070
Левина Серафима Георгиевна
доктор биологических наук Levina Serafima Georgievna Doctor of Biology Корман Гульнара Галеевна аспирант Korman Gulnara Galeevna Post-graduate Мухаметшина Лилия Федоровна аспирант Mukhametshina Lilya Feodorovna Post-graduate Chelyabinsk
Физико-химические параметры, микроэлементы, содержание и распределение долгоживущих радионуклидов в супераквальных почвах озер Большой и Малый Игиш, расположенных в зоне ВУРСа Physico-Chemical Parametres, Microelements, Concentration and Distribution of Long-Lived Radionuclides in Superaquatic Soils of Bolshoy and Maly Igish Lakes Located on the Territory of the East-Urals Radioactive Trace В статье представлены данные по физико-химическим свойствам почв, рассмотрено содержание и распределение микроэлементов и долгоживущих радионуклидов в супераквальной позиции водосборных территорий озер Большой и Малый Игиш, расположенных в центральной зоне Восточно-Уральского радиоактивного следа.
The article presents data on the physic-chemical properties of soils. The concentration and distribution of microelements and long-lived radionuclides in superaquatic position of drained territory of the Bolshoi and Maly Igish lakes located on the central part of the East-Urals radioactive trace are discussed.
Ключевые слова: Восточно-Уральский радиоактивный след, суперак-вальная почва, физико-химические параметры, микроэлементы, радиоактивное
90 137
загрязнение, радионуклиды, Sr, Cs, удельная активность, распределение.
Key words: the East-Urals radioactive trace, superaquatic soil, physico-
90 137
chemical properties, microelements, radioactive pollution, radionuclides, Sr, Cs, specific activity, distribution.
Почва - сложная многофазная система, поэтому оказывает значительное
влияние на миграцию различных химических поллютантов, таких как радионуклиды и тяжелые металлы. С одной стороны, происходит их сорбция твердой фазой почвы, с другой - процессы их перераспределения в более глубокие слои. Скорость этих процессов зависит от механического и минералогического со-
става почвы, содержания органического вещества, емкости катионного обмена и других физико-химических свойств почвы [9].
На территории Восточно-Уральского радиоактивного следа (ВУРС), образовавшегося в результате аварии 1957 г. на ПО «Маяк», находятся более 30 озер, различающихся литологическим составом котловин, морфометрическими параметрами, условиями формирования гидрохимического состава стока с водосборов и площадью водосбора. При анализе радиоэкологического состояния озерных экосистем необходимым звеном исследований является изучение водосборных территорий, так как для замкнутых водоемов (озер, прудов) поток вещества и энергии с водосборной площади является одним из важней-тттих внешних факторов по отношению к экосистеме замкнутого водоема [2].
Обследуемая территория ВУРСа отличается обилием водных артерий и озер, поэтому особое внимание было уделено изучению почв супераквальных элементов ландшафта, для которых характерно повышенное увлажнение неглубоко залегающими грунтовыми водами. Данная особая совокупность почвенных разностей, с периодическим избыточным затоплением и близким к поверхности уровнем залегания грунтовых вод, создает особые условия аккумуляции и миграции радионуклидов, микроэлементов по почвенному разрезу [12, 15]. Кроме того, повышенное увлажнение обуславливает повышенную продуктивность прибрежных биоценозов. Их почвы имеют более высокое содержание гумуса, нежели почвы элювиальных территорий [5].
Исследуемые водоемы различаются морфометрическими параметрами, но являются однотипными по характеру протекания в них процессов, присущих озерам климатической зоны с достаточным увлажнением. Озера Б. Игиш и М. Игиш расположены на севере Челябинской области (Средний Урал), в зоне геоморфологических структур Зауральской всхолмленной равнины. Котловины их лежат на линии разрывных тектонических нарушений. Климат района исследований переходный между умеренно-континентальным и континентальным. Годовое количество осадков около 470 мм. Коэффициент увлажнения Высоцкого-Иванова (отношение количества осадков к испаряемости) составляет
0,8. Водосборы исследуемых озер лежат в зоне северных осиново-березовых лесостепей и восточного выступа южной светлохвойной тайги, с доминированием сосново-березовых лесов [4, 13].
В настоящей работе представлены данные по физико-химической характе-
90 137
ристике, содержанию и распределению радионуклидов Бг и Сб, а также тя-
желых металлов в почвах водосборных территорий озер Большой Игиш (Б. Игиш) и Малый Игиш (М. Игиш), расположенных в 60 км от места взрыва (средняя зона ВУРСа). В результате аварии 1957 г. с водосборной территории оз. Б. Игиш была отселена деревня Игиш; с 1958 г. экосистема озера развивается практически без влияния хозяйственной деятельности (естественным путем), что представляет интерес в исследовании распределения радионуклидов в компонентах экосистемы. Населенных пунктов на водосборе оз. М. Игиш нет, после аварии прекратили существование в окрестностях данного водоема поселки Юго-Коневских рудников и д. Юго-Конево.
Определение места закладки почвенных разрезов, основывалось на исследовании особенностей ландшафтных катен [3] и вычленении в них элювиальных и супераквальных элементов (позиций). Разрезы закладывались в нескольких метрах от уреза воды, в основном на приозерных террасах. Почву из почвенных разрезов вынимали слоями с учетом генетических горизонтов и площади отбора проб до глубины 30-65 см, высушивали, растирали и просеивали через сито с ячейками в 1 мм.
Пробоподготовка почвенных проб и аналитические исследования проводились на базе физико-химической лаборатории естественно-технологического факультета ЧГПУ. Были определены следующие физико-химические характеристики почв водосборных территорий исследованных озерных экосистем: влажность, потери при прокаливании, содержание гумуса (углерод) по Тюрину, рН водной и солевой вытяжек, БИ водной вытяжки, содержание хлоридов и
сульфатов, содержание водорастворимых Са2+ и М^2+, обменных оснований
2+ 2+
Са и Mg , обменная кислотность по Дайкухара [10]. Определение металлов проводилось в лаборатории геоэкологии Института минералогии УрО РАН на
атомно-абсорбционных спектрометрах: с пламенным режимом атомизации воздух-ацетилен “Perkin - Elmer 3110” (Са, Mg, Mn, Fe, Cu, Zn, Co, Ni), ацетилен -оксид азота (I) (Ва, Sr); с электро-термическим режимом атомизации “Analyst 300, HGA 850” с дейтериевой коррекцией фона фирмы “Perkin - Elmer 3110” (Pb, Cd). Содержание радионуклидов определялось на биологической станции в отделе континентальной радиоэкологии Института экологии растений и живот-
137
ных. Определение Cs производилось у-спектрометрическим методом [7]. Принцип метода основан на измерении энергии и интенсивности испускаемых радионуклидами у-квантов. Относительная погрешность измерения составляет менее 15 % при доверительной вероятности р=0,95. Определение 90Sr проводят после предварительного выделения в виде оксалатов [8]. Измерение бета-активности выделенных препаратов проводится на малофоновой установке УМФ-2000. Относительная погрешность метода при доверительной вероятности р=0,95 составляет менее 20 %.
Основные показатели рассчитывали на сухую почву, т.е. к почве, высушенной при 100-105 0С. Полученные результаты подвергались обработке методами статистического анализа с использованием программного обеспечения Stat Soft, SPSS Inc, MS Excel .
Почвы водосборных территорий исследуемых озер лежат в области преимущественного распространения серых лесных почв. Водосбор оз. Б. Игиш находится в зоне восточного выступа южной светло-хвойной тайги на серых лесных почвах с доминированием в древесном ярусе сосны и березы. Почвенный разрез (серая лесная почва), выполненный в супераквальной позиции ландшафта оз. Б. Игиш, заложен в 10 м от берега в березовом лесу с кустарниками малины. Характерное близкое залегание грунтовых вод к поверхности обусловило заполнение разреза водой с глубины 70 см. Ландшафты водосбора оз. М. Игиш относятся к биоклиматической зоне южной светлохвойной тайги с преобладанием березы на серых лесных почвах. Необходимо отметить, что оз. М. Игиш является одним из наименее изученных водоемов ВУРСа [6]. В связи этим, на супераквальной позиции ландшафта данного озера в смешанном
лесу (береза, сосна, осина, кустарники малины) были заложены три почвенных разреза (серая лесная почва), в 45-70 м от уреза воды.
Рассматриваемые почвы характеризуются значением рН водной и солевой вытяжек в слабокислой и кислой области, что характерно для серых лесных почв [12]. По характеру профильного изменения реакции среды (рН водн.) для почв исследуемых водоемов наблюдается незначительное подкисление с глубиной. Величина окислительно-восстановительного потенциала колеблется от 290 до 420 мВ, что косвенно подтверждает пригодность почв для выращивания сельскохозяйственных культур. Неблагоприятных анаэробных условий, развивающиеся при значениях ЕИ менее 200 мВ [14], в почве озер Б. и М. Игиш не отмечено.
В результате исследований определена обменная кислотность, величина которой по глубине почвенного профиля уменьшается примерно от 1 до 0,2 мг-экв/100г почвы при рНка>4. Обменная кислотность при данных значениях рНка обусловлена обменным алюминием [9]. Наличие обменного алюминия является следствием процессов разрушения алюмосиликатной части почвы и оподзоливания [10], характерных для лесных почв [9]. Также в составе почвен-но-поглощающего комплекса (ППК) кислых почв имеется ион водорода, обуславливающий значение рНкс меньшее, чем значение рНН2О.
Основными катионами, насыщающими ППК, являются ионы кальция и
магния, чаще преобладает кальций [12]. В исследованных почвах озер
2+
Б. и М. Игиш отмечено незначительное изменение содержания обменных Са и
2+
Mg по глубине почвенного профиля. Следует отметить повышенное содержание данных ионов в горизонте А0, что возможно связано с физико-химическими особенностями лесной подстилки.
Содержание, запасы и состав гумуса относятся к числу важнейших показателей, от уровня которых зависят практически все агрономические ценные свойства почв, такие как воздушно-водный режим, емкость катионного обмена, кислотно-основная буферность почв, развитие восстановительных процессов и т.д. Для дерново-подзолистых почв оптимальный интервал содержания гумуса
находится в пределах 2,5 - 4 % [10]. В исследованных почвенных профилях су-пераквальной позиции ландшафта содержание гумуса в горизонте А1 составляет около 3-7 %, что согласно [3, 9, 10] характерно для серых лесных почв. Следует отметить, что количество гумуса с глубиной резко падает и в материнской породе (горизонт С) составляет 0,1-0,4 %.
Микроэлементы оказывают огромное влияние на жизнь в водоемах и на их водосборных территориях. Существует глубокая экологическая связь индивидуальных организмов и популяций с геохимической средой. На основании работ различных исследователей были определены пороговые, критические концентрации некоторых химических элементов для животных и растений [1, 11]. Пороговые концентрации микроэлементов, определенные для почв, величины относительные, так как могут повышаться или понижаться в зависимости от вида животных и растений, от биологического состояния, концентрации других химических элементов, сезона года и пр. Но в тоже время для конкретного химического элемента можно установить приблизительные уровни варьирования концентраций, в пределах которых обеспечивается нормальное протекание жизненных процессов.
На рис. 1. приведены результаты исследования содержания некоторых микроэлементов, подтверждающие их незначительную роль в техногенном загрязнении территории.
А 0
0-4,5- її;
4,5-10,5-
10,5-15,5- ||
15,5-20,5 ■
20,5-25,5- 1+
25,5-32- 4т Г 1
32-38- П
38-45 ^ 1
59-66' І +
66-70 О ▼
мг/кг
600 800 1000
200
мг/кг 400 600
800 1000 1200
Рис. 1. Содержание некоторых микроэлементов в почве супераквальной позиции оз. Б. Игиш (А) и оз. М. Игиттт (разрез №1, Б)
Б
0
В ходе работы выявлено, что по тяжелым металлам почвы супераквальной позиции водосборов озер Б. и М. Игиш не относятся к токсичным. Концентрации таких микроэлементов, как Си, 7п, Мп, N1, Со, РЬ, Сг, Ва, находятся в пределах пороговых концентраций [1, 11]. Однако, по шкале экологического нормирования на исследованных территориях отмечено повышенное содержание никеля: от 54 до 90 мг/кг [11].
Повышенное содержание в почве водосборных территорий исследованных водоемов N1, а также Си, 7п и Мп, скорее всего, не имеет техногенного характера, и связано с естественными геохимическими особенностями, геологическим строением Уральского региона [1]. Так, например, никель встречается в вулканогенных породах девонского периода, залегающих на водосборах; западнее района исследования в аналогичных породах находится рудное проявление никеля в районе Верхнего Уфалея [13].
Значения удельной активности радионуклидов в почвах супераквальных ландшафтных зон исследуемых озер колеблются в пределах 3 - 2000 Бк/кг (Б. Игиш) и 2,5 - 900 Бк/кг (М. Игиш) по 90Бг; в пределах 7 - 334 Бк/кг (Б. Игиш) и 4 - 447 Бк/кг (М. Игиш) по 137Сб. В целом для исследуемых почвенных разрезов характерно концентрирование радионуклидов в верхнем (0 - 10 см) слое и постепенное уменьшение их содержания вниз по почвенному профилю, что представлено на примере супераквального ландшафта оз. М. Игиш (Рис. 2). Этот факт, возможно, объясняется высоким содержанием органического вещества, образующего малоподвижные соединения с Са и Бг [6]. Следует отметить, что глубже почвенного горизонта В1 значения удельной
137
активности Сб находятся ниже предела обнаружения, что связано с меньшей
137 90
миграционной способностью Сб в отличие от Бг [4, 5].
График изменения удельной активности 90Бг по глубине разреза оз. М. Игиш имеет характерный вид (убывание от нескольких сотен Бк/кг на поверхности до единиц Бк/кг на глубине около 50 см). Изменение удельной ак-
137
тивности Сб по всем горизонтам носит также закономерный характер: содер-
жание данного радионуклида равномерно уменьшается с уменьшением органических веществ по глубине почвенного профиля (Рис. 2).
Почвенный горизонт
Рис. 2. Значения удельной активности (Бк/кг сухой массы) радионуклидов в почве супераквального ландшафта оз. М. Игиттт
Таким образом, по основным физико-химическим характеристикам почвы супераквальных позиций водосборных территорий озер Б. и М. Игиш являются типичными серыми лесными со слабокислой и кислой реакцией. Отмечено невысокое содержание гумуса уменьшающееся с глубиной. Основными катионами, насыщающими почвенно-поглощающий комплекс, являются ионы кальция и магния, чаще преобладает кальций. Также в составе ППК кислых почв имеется ион водорода и обменный алюминий. Повышенное содержание N1, а также Си, 7п и Мп в почве исследованных водоемов связано с естественными геохимическими особенностями Уральского региона и не имеет техногенного характера.
Анализ кривых распределения радионуклидов по профилю почвенных разрезов супераквальных ландшафтных элементов водосборов озер Б. Игиш и
90 137
М. Игиш, показывает, что пик максимального содержания Бг и Сб прихо-
дится на гумусовые горизонты (А1) почв, образуются их малоподвижные соединения. Выявленные условия формирования режима увлажнения (чередова-
ние промывного и выпотного), характерные для супераквальных ландшафтных позиций водосборных территорий, содержание органического вещества, окислительно-восстановительные и кислотно-основные свойства создают особые условия для процессов миграции и аккумуляции радионуклидов.
Работа выполнена при поддержке гранта Министерства образования и науки Челябинской области (проект № 37/MO7/A.).
Авторы выражают глубокую благодарность Заслуженному экологу РФ, заведующему Отделом континентальной радиоэкологии и Биофизической станции ИЭРиЖ, д.б.н., профессору А.В. Трапезникову, старшему научному сотруднику Отдела континентальной радиоэкологии и Биофизической станции ИЭРиЖ, к.б.н. В.Н. Трапезниковой, научному сотруднику Отдела континентальной радиоэкологии и Биофизической станции ИЭРиЖ Р.В. Кузьминой, зав. лабораторией геоэкологии и техногенеза Института минералогии УрО РАН Удачину В.Н., руководителю лимнолого-экологического центра ЧГПУ, зав. каф. географии и МПГ, доценту, к.г.н. Дерягину В.В. за помощь в проведении исследовательских работ.
Библиографический список
1. Агроэкология / В.А. Черников, Р.М. Алексахин, А.В. Голубев, и др.; Под ред.
В. А. Черникова, А.И. Чекереса. - М.: Колос, 2000. - 536 с.
2. Алимов, А.Ф. Основные положения теории функционирования водных экосистем / А.Ф. Алимов // Гидробиологический журнал. - 1990. - Т.26. - № 6. - С. 3 - 12.
3. Глазовская, М. А. Общее почвоведение и география почв / М. А. Глазовская. - М.: Высш. шк., 1981. - 400 с.
4. Захаров, С.Г. Современное радиоэкологическое состояние озер Большой и Малый Игиш / С.Г. Захаров, В.В. Дерягин, С.Г. Левина // Проблемы географии Урала и сопредельных территорий: материалы регион. науч.-практ. конф. (6-8 апр. 2004). - Челябинск, 2004. - С. 77-81.
90 137
5. Левина, С.Г. Закономерности поведения Sr и Cs в озерных экосистемах Восточно-Уральского радиоактивного следа в отдаленные сроки после аварии: автореф. дис. ... д-ра биол. наук / С.Г. Левина. - М., 2008. - 48 с.
6. Левина, С.Г. Современное радиационное состояние экосистемы озера Большой Игиш, расположенного на осевой части Восточно-Уральского радиоактивного следа / И.Я. Попова, С.Г. Захаров, В.В. Дерягин, Д.З. Шибкова // Радиац. биология. Радиоэкология. -2005. - Т.45. - № 1. - С.96-99.
7. Методика выполнения измерений удельной активности гамма-излучающих радионуклидов в пробах объектов внешней среды. Свидетельство № Ч 147/2002 об аттестации методики выполнения измерений // Гос. ком. РФ по стандартизации и метрологии. - 2002. - 27 с.
8. Методика выполнения измерений удельной активности цезия-137 и стронция-90 в почвах и донных отложениях. Свидетельство № Ч 150/2002 об аттестации методики выполнения измерений // Гос. ком. РФ по стандартизации и метрологии. - 2002. - 24 с.
9. Муха, В. Д. Агропочвоведение / под ред. В. Д. Мухи. - М.: Колос, 2003. - 528 с.
10. Орлов, Д.С. Химия почв / Д.С. Орлов, Л.К. Садовникова, Н.И. Суханова. - М.:
Высш. шк., 2005. - 558 с.
11. Орлов, Д.С. Экология и охрана биосферы при химическом загрязнении / Д.С. Орлов, Л.К. Садовникова, И.Н. Лозановская. - М.: Высш. шк., 2002. - 334 с.
12. Почвоведение. В 2 ч. / под ред. В.А. Ковды, Б.Г. Розанова. Ч.2 Типы почв, их география и использование / Богатырев Л.Г., Васильевская В.Д., Владыченский А.С. и др. - М.: Высш. шк., 1988. - 368 с.
13. Природа Челябинской области / под ред. М. А. Андреевой. - Челябинск: Изд-во ЧГПУ, 2000. - 269 с.
14. Савич, В.И. Агрономическая оценка окислительно-восстановительного состояния почв / В.И. Савич, И.С. Кауричев, Л.Л. Шишов, Ю.Н. Никольский, Е.А. Романчик // Почвоведение. - 2004. - № 6. - С. 702-712.
15. Трапезников, А.В. Миграция радионуклидов в пресноводных и наземных экосистемах. / А.В. Трапезников, И.В. Молчанова, Е.Н. Караваева, В.Н. Трапезникова // Том II. -Екатеринбург: Изд-во Урал. ун-та, 2007. - 400 с.
16. Long, E.L. Predicting toxicity in marine sediments with numeric sediment quality guideline / E.L. Long, L.J. Field, D.D. MacDonald // Environ. Toxicol. Chem. - 1998. - Vol.17. - P. 714-727.
Bibliography
1. Agroecology, V.N. Chernikov, R.M. Aleksakhin, A.V. Golubev, et al. - M.: Kolos, 2000. - 536p/
2. Alimov, A.F. The Main Positions of the Theory of the Water Ecosystem Functioning/ A.F. Alimov // Hydrobiological Journal. - 1990. - t.26. - №6. - P. 3-12.
3. Glazovskaya, M.A. Common Pedology and Geography of Soils / M.A. Glazovskaya. -M.: Higher School, 1981. - 400 p.
4. Zakharov, S.G. Current Radiological Status of the Bolshoi and Maly Igish Lakes / S.G. Zakharov , V.V. Deryagin, S.G. Levina // Geographical Issues of the Urals and the Adjacent Territories: Proceedings of the Regional Scientific Conference (6-8 April 2004). - Chelyabinsk, 2004. - P. 77-81.
5. Levina, S.G. Dependences Influencing 90Sr and 137Cs in Water Ecosystem of the EURT in the Post-Damage Period / S.G. Levina. - M., 2008. - 48 p.
6. Levina, S.G. Current Radiological Status of the Ecosystem of the Bolshoi Igish lake Located on the Peripheral Part of the EURT/ I.Ya. Popova, S.G. Zakharov , V.V. Deryagin, D.Z. Shibkova // Radiobiology. Radioecology. - 2005. - T.45. - №1. - P.96-99.
7. Methodology for Measuring Specific Activity of Gamma- Emitting Radionuclides in Samples of Environmental Objects. // State Com. RF by Standardization and Metrology. - 2002.
8. Methodology for Measuring 137Cs and 90Sr in Soils and Bottom Sediments // State Com. RF by Standardization and Metrology. - 2002.
9. Mukha, V.D., Kartamishev, N.I., Mukha, D.V. Agropedology / V.D. Mukha. - M.: Colos, 2003. - 528 p.
10. Orlov D.S. Chemistry of Soils / D.S. Orlov, L.K. Sadovnikova, N.I. Sukhanova. - M.: Higher School, 2005. - 558 p.
11. Orlov, D.S. Ecology and Protection of Biosphere in Chemical Pollution / D.S. Orlov, L.K. Sadovnikova, I.N. Lozanovskaya. - M.: Higher School, 2002. - 334 p.
12. Pedology / V.A. Kovda, B.G. Rozanova. P. 2. The Types of Soils, Geography and Usage / L.G. Bogatyreov, V.D. Vasilevskaya, A.S. Vladichensky. - M.: Higher School, 1988. - 368 p.
13. The Nature of Chelyabinsk Region / M.A. Andreeva. - Chelyabinsk: ChSPU, 2000. - 269 p.
14. Savich, V.I. Agronomic Estimation of the Redox Condition of Soils / V.I. Savich, I.S. Kaurichev, L.L. Shishov, Yu.N. Nikolsky, E.A. Romanchik // Pedology. - 2004. - №6. - P. 702-712.
15. Trapeznikov, A.V., Molchanova I.V., Karavayeva E.N., Trapeznikova V.N. Migration of Radionuclides in Limnetic and Terrestrial Ecosystems. - Ekaterinburg: Ural University, 2007. - 400 p.
16. Long, E.L. Predicting Toxicity in Marine Sediments with Numeric Sediment Quality Quideline / E.L. Long, L.J. Field, D.D. MacDonald // Environ. Toxicol. Chem. - 1998. - Vol.17. -P.714-727.
