CC BY
80
ИЗВЕСТИЯ
ПЕНЗЕНСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО ПЕДАГОГИЧЕСКОГО УНИВЕРСИТЕТА имени В. Г. БЕЛИНСКОГО ЕСТЕСТВЕННЫЕ НАУКИ № 29 2012
IZVESTIA
PENZENSKOGO GOSUDARSTVENNOGO PEDAGOGICHESKOGO UNIVERSITETA imeni V. G. BELINSKOGO NATURAL SCIENCES № 29 2012
УДК 574:539.1.04:546:58.051:539.163 ГОРИЗОНТАЛЬНАЯ И ВЕРТИКАЛЬНАЯ МИГРАЦИЯ 40К, 137CS, 226RA, 232TH И 241AM НА ОБРАБАТЫВАЕМЫХ СКЛОНОВЫХ АГРОЛАНДШАФТАХ ПЕНЗЕНСКОЙ ОБЛАСТИ
РАЗЛИЧНОЙ СТЕПЕНИ КРУТИЗНЫ
© О. А. БАРСУКОВ, Д. В. ЯЗЫКЕЕВ Пензенский государственный педагогический университет им. В.Г. Белинского,
кафедра зоологии и экологии e-mail: [email protected]
Барсуков О. А., Языкеев Д. В. - Горизонтальная и вертикальная миграция 40К, 137Cs, 226Ra, 232Th и 241Am на обрабатываемых склоновых ландшафтах Пензенской области различной степени крутизны // Известия ПГПУ им. В.Г. Белинского. 2012. № 29. С. 369-374. - В работе приведены результаты исследований основных закономерностей миграции радионуклидов в склоновых ландшафтах Пензенской области. Цель работы заключалась в оценке особенностей горизонтальной и вертикальной миграции 40К, 137Cs, 226Ra, 232Th и 241Am на обрабатываемых склонах от характера рельефа, формы профиля, степени крутизны склона, обработки почвы, геоморфологических условий и других особенностей рельефа. Определены склоны с наиболее интенсивными потоками миграции радио -нуклидов.
Ключевые слова: склоновые агроландшафты, миграция, радионуклиды, обрабатываемые склоны.
Barsukov O. A., Yazykeev D. V. - Horizontal and vertical migration 40К, 137Cs, 226Ra, 232Th and 241Am on processed sklonovy landscapes of the Penza region of various degree of a steepness // Izv. Penz. gos. pedagog. univ. im.i V.G. Belinskogo. 2012. № 29. P. 369-374. - In work results of researches of the main regularities of migration of radionuclides are given in sklonovy landscapes of the Penza region. The purpose of work consisted in an assessment of features of horizontal and vertical migration 40К, 137Cs, 226Ra, 232Th and 241Am on processed slopes from character of a relief, a form of a profile, degree of a steepness of a slope, processing of the soil, geomorphological conditions and other features of a relief. Slopes with the most intensive streams of migration of radionuclides are defined.
Keywords: sklonovy agrolandscapes, migration, the radionuclides, processed slopes.
Значительное количество сельскохозяйственных угодий в Российской Федерации располагается на склонах различной степени крутизны. Большинство из них находятся в Центральном и Центрально-Черноземном регионах, в которых пахотные угодья располагаются на склонах крутизной более 50 [1]. Склоновые участки имеют сложную внутреннюю структуру, обуславливаемую своеобразием микроклиматических условий, формой рельефа, лесными насаждениями, а также различиями в направленности и интенсивности миграционных потоков влаги и загрязняющих веществ [1,2].
Установлено, что в низменных элементах рельефа, загрязненных в результате аварии на ЧАЭС и испытаниях ядерного оружия, возможно вторичное радиоактивное загрязнение разнородных участков за счет миграции нуклидов с дождевыми осадками и талыми водами [3,4]. В бессточных понижениях равнинных районов активность 40К, 13^, 226Иа, 232ТИ. и 241Лш в почве значительно выше, чем на прилегающих территориях [5,6].
Факторы, от которых зависит подвижность и скорость миграции рассматриваемых радионуклидов в почве в природе, можно разделить на три группы:
- физико-химические свойства радионуклидов, способность их к адсорбции и гидролизу;
- характеристики почв (их состав, плотность, влажность, кислотность и др.);
- погодно-климатические условия (температура, годовое количество осадков и их выпадение по сезонам).
На сельскохозяйственных угодьях дополнительными факторами, усиливающими миграционные процессы, могут быть: механическая обработка почвы, внесение минеральных и органических удобрений, особенности культивирования травостоя.
Через несколько лет после аварии на Чернобыльской АЭС (1986 г) в Европейской части нашей страны были проведены крупномасштабные измерения загрязненности ее территорий радионуклидами различного происхождения. На основании этих ис-
следований был создан Атлас карт радиационной обстановки на указанных территориях. В частности согласно Атласу в пределах Пензенской области было выявлено несколько очагов радиоактивного поражения, причем Никольский район тоже попал под зону радиационного заражения [7].
На территории Никольского района после аварии на ЧАЭС были замерены мощности экспонируемой дозы гамма-излучения (МЭД), которые составили от 12 до 14 мкР/ч., то есть находились в пределах нормы.
Мною, в 2010 году в окрестностях деревни Ночка Пензенской области Никольского района в 2 километрах от границы с Ульяновской областью повторно замерялись МЭД у - излучения, которые колебались в пределах от 16 до 20 мкР/ч, но есть участки, показывающие до 23-25 мкР/ч., что немного превышает норму. На момент аварии замеры мощности, как на улице, так и в погребах домов показывали результаты выше нормы. После этого и по сегодняшний день деревня Ночка считается чернобыльской зоной.
Исследуемая территория была выбрана не случайно из-за ее месторасположения. Сам населенный пункт располагается в низменности, с прилегающими склоновыми участками различной крутизны и формы рельефа. С трех сторон кроме западной, деревня в радиусе 0,5-2,5 окружена хвойными сосновыми лесами в возрасте не менее 60 лет.
Как известно, хвойные породы деревьев способствуют большому накоплению радионуклидов в: хвое, коре, стволе и ветвях. Такие леса являются источника-
ми вторичного загрязнения почв в результате каких-либо природных или техногенных катастроф.
Благодаря сравнительно малому периоду полураспада 137С8 его активность сойдет практически «на нет» через 20-30 лет, тогда как другие нуклиды будут распадаться в течение многих столетий [8].
Данная работа посвящена изучению распределения активности пяти примесей - у излучателей, в число которых входит три радиоактивных изотопа природного происхождения: 40К, 226Иа, 232ТИ. и два антропогенного: 137Сз, 241Лш, их основных закономерностей распределения в различных элементах рельефа.
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ
Исследования проводили в 2010 г. на склоновых участках Никольского района в деревне Ночка, которые подвергались радиоактивному загрязнению в результате аварии на Чернобыльской АЭС. Участками исследований были выбраны агроландшафты различной степени крутизны со светло-серыми лесными почвами, находящимися в сельскохозяйственном обороте. Протяженность склонов составляла 80-120 м. На сопряженной поверхности выбранных склонов было выделено пять микрозон размером 5x10 м: водораздел, верхняя, средняя, нижняя части и днище склона.
Первый из них расположен в деревне Ночка крутизной 100 с продольно прямой мелколожбинной формой рельефа, располагающийся на северо-западной стороне (рис.1.), причем в днище склона имеются делювиальные отложения 5 см.
Высота
Рис. 1. Профиль участка и точки отбора проб (деревня Ночка).
Поле находилось под парами, готовилось к посеву озимых культур и проходило обработку почвы в несколько культиваций. Боронование почвы осуществлялось поперек склона, что приводило к образованию борозд после ее обработки. В результате, сорная растительность, произрастающая, на нем уничтожалась. Почва склона до и после аварии на Чернобыльской АЭС подвергалась механической обработке и внесению минеральных удобрений.
Второй склон деревня Ночка располагается за животноводческой фермой, с южной экспозицией, имеет продольно прямую форму рельефа, крутизной 350 (рис. 2), делювиальные отложения составляют порядка 20 см.
Почва светло-серая лесная с преобладанием небольших камней в верхней части склона. На исследуемом участке произрастала злаковая культура (озимая пшеница), причем в верхней части склона стебли были мелкие по сравнению с другими частями. Одновремен-
экология ►►►►>
Высота
50 30 50 70 90 Расстояние (м)
Рис. 2. Профиль участка и точки отбора проб (деревня Ночка за фермой).
Высота
Рис. 3. Профиль участка и точки отбора проб (деревня Ночка «Широкий луг»).
но с посевом семян в почву вносились минеральные удобрения.
Третий склон располагается близ деревни Ночка «Широкий луг» крутизной 150-250 и выпукловогнутой формой рельефа, располагаясь на юговосточной стороне (рис. 3).
Исследуемый участок находился в сельскохозяйственном обороте, второй год в качестве сенокосных угодий и залуженные кострецом безостым (БгОШИ8 тегш18 Ьеу88), до этого на склоне культивировали злаковые культуры в основном озимые рожь (8еса1е сегеа1е) и пшеницу (ТгШсиш).
Отбор и подготовка проб к анализу осуществлялись по «Методическим рекомендациям...», утвержденным приказом МПР России от 17.04.2007 №101[3,10]. Образцы отбирали с помощью специализированного бура с углублением до 10 см на пробных площадках из нескольких слоев методом конверта. Путем смешивания точечных проб, отобранных на пробных площадках, получали один обобщенный образец массой не менее 1 кг. Каждому из них присваивали номер [3].
Затем пробы отправлялись в лабораторию для дальнейшего анализа. Перед определением активности радионуклидов, образец почвы рассыпали на бумагу и сушили на открытом воздухе. Затем пробу измельчали пестиком, одновременно удаляя посторонние предметы и примеси (корни растений, насекомых, камни, стекло, уголь, кости животных и др.). Для полного высушивания до воздушно-сухого состояния пробу помещали в сушильный шкаф, и после полного высушивания её взвешивали с точностью до 1 грамма.
Уровень активности изучаемых радионуклидов в образцах определяли с помощью высокоточного гамма-спектроскопического комплекса СКС-50М.
Описываемые измерения проводили спустя 25 лет после аварии на ЧАЭС.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
Распределение радионуклидов в почве склона деревни Ночка крутизной 250 приведено в графическом виде на рис. 4 и в таблице 1. По оси ординат на рисунке 4 отложены активности в Бк/кг, а на оси абсцисс - расстояние от вершины исследуемой территории в м.
Рис. 4. Зависимость значения активности от расстояния между точками отбора проб.
Таблица 1
Распределение активности 40К, 137С8, 226Ка, 232ТЬ и 241Лш в почве склона крутизной 100 продольно прямой
формы рельефа (Бк/кг)
Проба, Активность радионуклида, Бк/кг
№ 40К 137С8 226Иа 232ТЬ 241Лш
Эксперимент « Обрабатываемое поле д. Ночка склон 100»
1 319.5±24.2 22.66+3.7 21.75+3.9 35.75+6.1 28+3
2 316.5+21.7 24+5.83 20.33+3.5 34+6.4 29+3.25
3 322±30.3 26.85+7.8 21.75+3.9 39+6.8 30.13+5.15
4 341.6+11.5 29.6+7.7 19+4.97 38.6+8.3 32.4+3.68
5 344.5+11 34.33+2.88 21.5+3.98 45.75+6.1 36.4+1.75
Согласно данным рис. 4 максимум активности пяти исследуемых радиоизотопов приходится на зону накопления делювиальных отложений, минимум -для верхних водораздельных участков. Для склонов такого вида наблюдается следующая закономерность: активность исследуемых изотопов возрастает с увеличением расстояния от водораздела до нижней точки наибольшего уклона, и наоборот, уменьшается с приближением к верхней части склона. Такое постепенное нарастание активности от вершины до днища склона может быть связано с его: экспозицией, формой рельефа, направлением обработки почвы и внесением минеральных удобрений.
Большему удержанию радиоизотопов в почве способствует наличие в ней химических элементов, близких к ним по своим свойствам. Внесение минеральных удобрений в почву способствует большему удержанию радиоизотопов в ней так, как химические элементы близки по своим свойствам с нуклидами.
Калий - химический элемент, схож по своим химическим свойствам с цезием. Калий, как неизотопный аналог цезия находится в почве в макроколичествах, в то время как цезий - в ультрамикроколичествах.
Экспозиция склона также оказывает значительное влияние на условия и интенсивность смыва почвы. Данная закономерность, вероятно, обусловлена замедленным таянием снежного покрова на северных склонах, что способствует меньшему смыву почвы.
Другая картина распределения плотности загрязнения 40К, 137Сз, 226Иа, 232ТЬ и 241Лш на обрабатываемом склоне в деревне Ночка за фермой крутизной 350,
представлены на рис. 5, в таблице 2 с результатами измерений активности почв.
Распределение активности радионуклидов имеет своеобразный характер, на расстоянии 70 м наблюдается спад активности к минимальному состоянию и вновь резкое повышение в делювиальных отложениях.
Следует отметить, что делювиальные отложения, являясь биохимическими барьерами, способствуют некоторому замедлению миграции радионуклидов. В погребенном под наносами слое почвы основное количество радиоизотопов сосредоточено в верхних 5- и 10-см слоях (78,4-80,8%).
Продольно вогнутая форма склона обуславливает водный сток по сходящим направлениям, что способствует максимальному накоплению делювиальных отложений в зонах аккумуляции и соответственно возрастанию суммарной активности радиоизотопов на пути их продвижения. Южная экспозиция склона оказывает большое влияние на таяние снежного покрова,
а, следовательно, на увеличение скорости водного потока и смыва почвы по склону.
Резкое увеличение активности в днище склона говорит о том, что при посеве сельскохозяйственных культур вносятся химические удобрения и здесь же совершаются развороты и заделка окраин склона, которые приводят к увеличению массы химических элементов попавших в почву. Выше говорилось, что химические элементы способствуют взаимодействию с радионуклидами и повышению их активности в почве.
Исследуемый склон с трех сторон окружен 70 летним сосновым бором. Как известно хвойные леса являются накопителями радионуклидов в коре, хвое,
экология ►►►►►
Рис. 5. Зависимость значения активности от расстояния между точками отбора проб.
Таблица 2
Распределение активности 40К, 137Ся, 226Ка, 232ТЬ и 241Лш в почве склона крутизной 350 продольно прямой
формы рельефа (Бк/кг)
Проба, Активность радионуклида, Бк/кг
№ 40К 137С8 22бКа 232ТЬ 241Лш
Эксперимент «Обрабатываемое поле д. Ночка за фермой склон 350»
1 301.5+4.9 21.5+3.53 13.5+9.21 31+4.64 31.5+5
2 319.3+16.8 25.33+8.4 14.25+5.25 31.5+6.43 32.25+4.25
3 329.5+1.4 29+10 15.6+5.13 34.33+6.7 34+6.85
4 322+30.3 28+9.9 14.7+4.35 38.25+8.42 31.5+5
5 339.5+42.5 33+2.88 18.5+2.12 40.6+8.98 37.6+5.28
Рис. 6. Зависимость значения активности от расстояния между точками отбора проб.
Таблица 3
Распределение активности 40К, 137Ся, 226Ка, 232ТЬ и 241Лш в почве склона крутизной 15°-35° выпукло вогнутой
формы рельефа (Бк/кг)
Проба, Активность радионуклида, Бк/кг
№ 40К 137С8 22бКа 232ТЬ 241Лш
Эксперимент «залуженное поле д. Ночка «Широкий луг» склон 150-250»
1 42+6.92 41.25+6.3 13.5+2.12 41.4+1.94 67.66+3.55
2 40+8.48 39+4.24 14.5+2.12 40+2.82 66.28+3.87
3 42.5+4.94 46+8.48 15.6+1.52 43.3+1.75 68+7.33
4 46.5+6.36 48.5+4.94 16+2.82 43.5+2.82 69.33+8.44
5 51.5+10.6 55.5+14.8 21.16+4.26 50+5.65 76.5+11.5
корнях. В ветреную или дождливую погоду радиоактивная хвоя и кора деревьев опадает и уносится на поле, где с потоком воды переносится к нижним участкам склона.
Перейдем к анализу распределения пяти рассматриваемых нуклидов на поле Ночка «Широкий луг» крутизной 200-350 с выпукловогнутой формой рельефа (рис. 3). Полученные
результаты исследования представлены на рис. 6 и в таблице 3.
Распределение активности радионуклидов имеет слегка выраженный волновой характер с наибольшими значениями активности в вогнутых частях склона. Минимальные значение активности соответствуют выпуклым частям склона.
В условиях склона с таким рельефом, из-за его волнистости и большей крутизны, скорость потока воды на отдельных участках более резко меняется, что отражается в колебаниях активности радионуклидов по сопряженным участкам склона. Поэтому в частности, в нижней правой части склона активность, немного выше, чем в верхней части. Это, по-видимому, связано с круглогодичным возделыванием почвы, в продольном, поперечном и диагональном направлениях по склону и круговому на окраинах. Обработка почвы любым сельскохозяйственным агрегатом приводила к разрыхлению, перемешиванию, поднятию и переносу почвы и радиоактивной пыли от 5 до15 см с одного места на другое. Делювиальные отложения в пониженных участках склона, также подвергались перемешиванию и перемещению на большие территории в процессе обработки.
Кострец безостый на втором году роста разрастается, укрепляя свою корневую систему, которая в свою очередь удерживает влагу в верхних в химические 5-10 см слоях почвы, давая радионуклидам вступать в реакции с химическими элементами, которые входят в состав минеральных удобрений для подкормки многолетних трав.
ОБСУЖДЕНИЕ
На исследуемых обрабатываемых и залуженных многолетними травами склоновых ландшафтах Никольского района деревни Ночка наблюдается перераспределение миграции активности пяти рассматриваемых радиоизотопов.
Небольшая разница значений активности нуклидов верхней и нижней частях склонов характери-
зуется: формой рельефа, направлениями обработки почвы по склону, крутизной, экспозициями расположения и растущими хвойными лесными массивами.
Хвойные леса, произрастающие по периметру склонов, принимают участие в миграции исследуемых радионуклидов, сбрасывая в ветреную или дождливую погоду частички зараженные радионуклидами хвои и коры на прилегающие территории.
Снизить активность радионуклидов в почве можно внесением органических удобрений; повышенным количеством доз фосфорных и калийных удобрений, с которыми аккумулируют радионуклиды и растворяются в почве.
Учет приведенных выше факторов на склоновых ландшафтах - условие, которое позволит получить продукцию, не соответствующую радиоэкологическим нормативам, и при планировании агротехнических и агрохимических мероприятий, направленных на повышение плодородия почв, урожая злаковых и кормовых культур и минимизации накопления радионуклидов.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Каштанов А. Н., Явтушенко В. Е. Агроэкология почв склонов. М.: Колос, 1997. 240 с.
2. Лопырев М. И., Рябов Е. И. Защита земель от эрозии и охрана природы. М.: Агропромиздат, 1989. 181 с.
3. Кузнецов В. К., Санжарова Н. И. // Экология. 1997. № 2. С. 150-152.
4. Борзилов В. А., Коноплев А. В., Ревина С. К. // Метеорология и гидрология. 1988. № 11. С. 43-53.
5. Тюрюканова Э. Б. // Современные проблемы радиобиологии. Т. 2. Радиоэкология М.: Атомиздат, 1971. С. 16.
6. Уоллинг Д. Е., Голосов В. Н., Квасникова Е. В., Ван-декастель К. // Почвоведение. № 7. 2000. С. 888-897.
7. Современные проблемы загрязнения почв / Сборник тезисов международной научной конференции. М.: МГУ им. Ломоносова, 2004.
8. Прохоров В. М. Миграция радиоактивных загрязнений в почвах. М.: Энергозатрат, 1981 С. 100.
