CC BY
56
БІЯЛАГІЧНЫЯ НАВУКІ
3
Б І Я Л А Г І Ч Н Ы Я Н А В У К І
УДК 574:539.1
А. А. Дворник
ОЦЕНКА ПАРАМЕТРОВ МИГРАЦИИ 137Cs В ПОЧВАХ СОСНОВЫХ НАСАЖДЕНИЙ
Изучены закономерности вертикальной миграции 137Cs в дерново-подзолистых лесных почвах. Расчет, выполненный на основе квазидиффузионной модели, позволил уточнить параметры скоростей миграции цезия в минеральных почвах. Определена степень влияния различных факторов на доступность радионуклидов для сосновых насаждений.
Введение
В течение длительного периода после аварии лесные и луговые биогеоценозы сохраняют высокий уровень радиоактивного загрязнения, и миграция радионуклидов в компонентах этих экосистем проходит несколько динамических стадий - от накопления и стабилизации до постепенного снижения активности и изменения физико-химических форм. Каждая из этих стадий имеет свои специфические особенности, которые зависят от почвенно-растительных условий формирования экосистем.
Направление миграции элементов в биогеоценозах зависит как от их природы, так и от почвообразовательных процессов. Радионуклиды преимущественно фиксируются и накапливаются в почвах либо мобилизуются и выносятся с поверхностными и почвенными водами, возвращаясь обратно на поверхность почвы [1].
Долговременное поведение радионуклидов в естественных экосистемах трудно предсказать из-за изменения скорости вертикальной миграции и их биологической доступности со временем. Анализ процессов миграции радионуклидов дает важную информацию, необходимую для прогнозирования уровней загрязнения, изменений скоростей миграции и т. д. Качественный прогноз возможен только на основании математического моделирования.
Использование математических моделей прочно вошло в практику современных научных исследований. Применение математического аппарата в радиоэкологии позволило дать принципиально новую оценку поведению радионуклидов в естественных экосистемах, возможность тщательного изучения последствий аварий, в частности аварии на ЧАЭС. Целью составления моделей является возможность прогнозирования динамики уровней радиоактивного загрязнения в экосистемах, оценки изменения радиационного фона и планирования эффективных мер радиационной защиты.
Среди основных моделей прогнозирования миграции цезия в почве можно выделить следующие: ECORAD (Мамихин, Россия), RIFE (Шоу, Великобритания), FORESTPATH и др.
Цель настоящего исследования - оценка параметров миграции 137Cs в дерново-подзолистых почвах сосновых насаждений на основе квазидиффузионной модели и прогнозирование поведения цезия на ближайший и отдаленный периоды.
Материалы и методы. Объектом исследования являются лесные экосистемы, загрязненные в результате аварии на Чернобыльской АЭС.
Для отбора образцов лесных почв выбирают элементарный участок леса. Определение однородности участка по радиоактивному загрязнению проводилось путем измерения мощности эквивалентной дозы (МЭД) гамма-излучения на высоте 1 ми 3-4 см от поверхности почвы в 10 точках, равномерно расположенных по территории участка. Результаты измерений наносятся на схему участка.
Однородным по радиоактивному загрязнению считается участок, на котором минимальное и максимальное значения МЭД не отличаются от среднего более чем на 50%, в противном случае участок делится на более мелкие участки, однородные по радиоактивному загрязнению.
4
ВЕСНІК МДПУ імя І. П. ШАМЯКІНА
Отбор проб почвы проводится с живым напочвенным покровом и лесной подстилкой стандартным пробоотборником почвы на глубину 200 мм по углам площадки размером 50 на 50 м, закладываемой в наиболее характерном для данного участка месте. Образцы почвы отбирались цилиндрическим буром диаметром 5 см на глубину до 20 см. Образцы лесной подстилки отбирались на каждой пробной площади в шести точках квадратным пробоотборником размером 20 на 20 см. Подстилка разделяется на неразложившуюся, находившуюся над слоем мха, и полуразложившуюся, находившуюся в толще мха до минерального слоя почвы. Одинаковые по глубине слои смешивались и таким образом готовились смешанные образцы почвы [2].
На этапе пробоподготовки почвенные образцы высушиваются до воздушно-сухого состояния при температуре 105о С. После сушки из пробы удаляют части растений и камешки размером более 1 см, перемешивают и просеивают через металлическое сито. Подготовленный материал рекомендуется озолить до полного разложения органических веществ путем сжигания в муфельной электропечи при температуре от 400 до 450о С. Из подготовленной пробы методом квартования отбирали навески, заполняя ими измерительные кюветы с максимально возможным уплотнением материала. Далее проба проверялась на однородность.
Почвенные и растительные образцы измерялись в воздушно-сухом состоянии. Измерения проводились с использованием гамма-спектрометра CANBERRA с полупроводниковым детектором Ge(Li). Геометрия измерений: сосуд Маринелли, 1 л; цилиндрический сосуд диаметром 7 см, высотой 3,2 см, «дента». Собранные данные использовали для оценки параметров миграции 137Cs в дерново-подзолистых почвах сосновых насаждений.
Результаты исследования и их обсуждение
Экологическая модель основывается на следующих условиях и допущениях:
- принятый принцип модели работает только при условиях однократного радиоактивного загрязнения;
- если в почве, кроме процесса диффузии, протекает ряд других процессов, то такую совокупность процессов называют квазидиффузией. Поэтому миграция 137Cs в почве рассматривается в рамках квазидиффузионной модели;
- основанная на квазидиффузионном механизме модель учитывает процесс диффузии как доминирующий в миграции радионуклидов;
- корни сосновых насаждений рассматривались как статическая система, не изменяющаяся во времени;
- для оценки всех требуемых параметров необходимым условием являлось привлечение дополнительной информации: распределение корневых систем, распределение форм 137Cs в почве и их изменение во времени.
Настоящая модель предназначена для оценки и прогноза миграционной способности радионуклидов в почве. В будущем планируется разработка второго - растительного -блока модели. Модель включает в себя основной блок - почвенный, который состоит из трех подблоков.
Интенсивность поступления цезия-137 в древесные растения определяется следующим рядом факторов: распределением 137Cs по почвенному профилю, вертикальным распределением корневых систем в почве, содержанием биологически доступных форм 137Cs в различных слоях почвенного горизонта. Исходя из этого, почвенный блок модели включает в себя три элемента: распределение доступных форм цезия-137 (функция AF(x)), распределение питающих корней в почве (функция DR(x)), миграционная способность радионуклида (функция FM(x, t)). Результирующая функция по трем элементам представляет собой функцию переноса (TF(x)), благодаря которой можно количественно оценить поступление радионуклидов в древесный ярус.
Одним из факторов, определяющих биологическую доступность элементов, является прочность их закрепления в почвах. Для оценки количества доступных форм радионуклида были проанализированы экспериментальные данные 1993 года, предоставленные сотрудниками Института леса НАН Беларуси. Для изучения динамики доступных форм использовались данные научных работ других авторов [3], [4]. В связи с этим описание может являться ограниченным.
БІЯЛАГІЧНЫЯ НАВУКІ
5
Функция, описывающая содержание биологически доступных форм 137Cs для сосновых насаждений, аппроксимируется следующим выражением:
AF (х) = A • xB
(1)
где х - глубина почвенного слоя, см;
А и В - коэффициенты в уравнении, которые различаются в зависимости от состава форм.
Для анализа динамики использовались данные об обменных формах цезия из работ С. В. Фесенко [3], относящиеся к 2003 году, и данные Н. И. Булко [4], относящиеся к 2005 году, по автоморфным почвам в сосняках мшистых для условий местопроизрастрания А2. Данные за 1996 год взяты из работ Л. Г. Диденко [5].
На рисунке 1 представлена кривая, характеризующая динамику физико-химических форм 137Cs в почвах сосновых насаждений. Наблюдается отчетливая тенденция к уменьшению обменных форм цезия-137 вследствие процессов «старения» и физического распада радионуклида. Таким образом, количество биологически доступных форм в дерново-подзолистых песчаных почвах сосняков мшистых с течением времени уменьшается, а количество фиксированных форм возрастает.
Рисунок 1 - Изменение содержания доступных форм 137Cs в почвах сосняков мшистых с течением времени
Таким образом, с течением времени доля обменных форм уменьшается в периоде 1993 ^ 1996 ^ 2003 ^ 2005 г. как 27,58 ^ 12,2 ^ 6,1 ^ 2,9. Это связано с процессом «старения» радионуклида цезия-137 вследствие его прочной фиксации малоподвижными гуматами и глинистыми минералами.
Для наиболее полного изучения закономерностей поступления радионуклида цезия-137 в древесный ярус необходимо учитывать вертикальное распределение корневых систем по почвенному профилю. Известно, что в поглощении веществ из почвы принимают участие, главным образом, тонкие, питающие корни. По данным некоторых авторов [3], к тонким корням относят корни диаметром не более 3 мм.
6
ВЕСНІК МДПУ імя І. П. ШАМЯКІНА
Графически расположение питающих корней сосны в минеральных почвах можно представить в виде гистограммы, изображенной на рисунке 2. Анализ приведенных данных показывает, что большая часть биомассы тонких корней (около 70%) сосредоточена в 30 сантиметрах почвенного профиля при общем содержании корней на глубине 1 метр.
Рисунок 2 - Вертикальное расположение питающих корней сосны по профилю автоморфных почв
Вертикальное распределение корневых систем сосновых насаждений в почве удовлетворительно описывается степенной зависимостью (R2 = 0,84). Следовательно, расположение тонких корней в почве может быть аппроксимировано следующим выражением:
DR (x) = A ■ х , (2)
где x - глубина почвенного слоя, см;
А и В - коэффициенты в уравнении.
Для корневых систем сосновых насаждений уравнение принимает вид:
DR(x) = 1,44 ■ х 0,76. (3)
Миграция радионуклидов в почвах представляет сложный процесс по многообразию влияющих факторов. В реальных условиях миграция радионуклидов обусловлена одновременным протеканием нескольких процессов, имеющих диффузионную и недиффузионную природу (квазидиффузионные процессы). Процесс диффузии - это совокупность элементарных процессов, в результате которых происходит передвижение вещества, а единственной причиной данного явления служит градиент концентрации вещества. В почве часть ионов находится в адсорбированном состоянии, а часть - в растворе. Процесс диффузии каждого отдельного иона складывается из последовательных процессов медленной диффузии, в адсорбированном состоянии и переходе иона в раствор в результате ионного обмена, а также более быстрой
БІЯЛАГІЧНЫЯ НАВУКІ
7
диффузии в растворе и перехода иона вновь в адсорбированное состояние. Математически диффузия описывается уравнением диффузии (второй закон Фика):
dq d 2q
— = D ■—L
dt ,2
dx
(4)
где q(x, t) - концентрация радионуклидов, отн. ед.; х - глубина, см; t - время диффузии, с;
D - коэффициент диффузии, см2 • с-1.
Математическое описание экспериментальных данных о распределении 137Cs по профилю почвы проводилось с использованием модуля нелинейного оценивания программного пакета STATISTICA 6.1 с использованием метода наименьших квадратов. В рамках квазидиффузионной модели решение выражения (4) можно представить в виде уравнения [6]:
А • Q • exp• (- xУ(4 • M f ■t)) в • Q • exp• (- x2/(4 • Ms • t)) q(xt) =----------1 ---------+---------1 --------, (5)
J ж • M f ■ t yj ж • M s ■ t
где А и В - вклады первого и второго слагаемых, отн. ед.;
Mf и Ms - коэффициенты быстрой и медленной миграции, см2 • с-1; t - время, с;
Q - полный запас радионуклидов, отн. ед.
Решение уравнения (5) позволило определить численные значения коэффициента диффузии, вклады быстрой и медленной компонент в общий процесс миграции. Полученные величины приведены в таблице 1.
Таблица 1 - Значения коэффициентов диффузии и вкладов каждого компонента
«Медленная» диффузия «Быстрая» диффузия
Коэффициент диффузии, см2 • с-1 1,18 • 10'9 7,65 • 10-8
Доля компонента в процессе миграции 0,75 0,43
Графическое описание расчетных данных подтвердило наличие двух процессов, дающих свой вклад в общий процесс миграции - медленный и быстрый компоненты. На рисунке 3 представлено распределение модельных и экспериментальных данных. Адекватность модели подтверждается высокой согласованностью модельных и экспериментальных данных (F = 0,37 при FKpum = 0,29). Медленный компонент миграционного процесса обусловлен перемещением 137Cs тонкодисперсными (коллоидными) частицами в составе прочносвязанных или труднорастворимых соединений. Быстрый компонент характеризует преимущественно скорость вертикальной миграции в составе воднорастворимых комплексных соединений с органическими лигандами [7].
На рисунке 4 приведена динамика содержания цезия-137 в различные годы после аварии. Видно, что радионуклиды медленно мигрируют вглубь почвенного профиля. При данных расчетных коэффициентах диффузии доля запаса 137Cs в почвенном слое 0-1 см будет убывать с 0,46 до 0,24 в течение 90 лет после катастрофы.
8
ВЕСНІК МДПУ імя І. П. ШАМЯКІНА
Рисунок 3 - Экспериментальное распределение 137Cs по вертикальному профилю почвы сосновых насаждений и описание его квазидиффузионной моделью
Рисунок 4 - Распределение 137Cs по профилю почвы в различные годы после аварии на ЧАЭС
БІЯЛАПЧНЫЯ НАВУКІ
9
Выводы
1. Анализ динамики биологически доступных форм 137Cs в дерново-подзолистых почвах сосновых насаждениях показал, что происходит увеличение доли фиксированных форм радионуклидов и уменьшение количества доступных форм с 27,58% в 1993 году до 2,9% в 2005 году. Это подтверждает явление «старения» радионуклида цезия-137 вследствие его прочной фиксации малоподвижными гуматами и глинистыми минералами.
2. Для процессов быстрой и медленной миграции были рассчитаны коэффициенты диффузии, которые равны 7,65 • 10-8 и 1,18 • 10-9 см2 • с-1 соответственно. Доля компонентов в процессе миграции составляют 0,75 отн. ед. для «медленной» диффузии и 0,43 отн. ед. -для «быстрой».
3. Сделанный на основании полученных коэффициентов диффузии прогноз показывает, что цезий-137 относительно медленно мигрирует в глубь почвы. Его концентрация в почвенном слое 0-1 см изменяется с 0,46 до 0,24 отн. ед. за 90 лет.
Литература
1. Щеглов, А. И. Биогеохимия техногенных радионуклидов в лесных экосистемах / А. И. Щеглов. -М. : Наука, 1999.
2. Инструкция по проведению обследования участков заготовки продукции лесного хозяйства или сырья, отбору и подготовке проб для контроля радиоактивного загрязнения. - Минск : Минлесхоз РБ, 1998. - 48 с.
3. Анализ факторов, определяющих накопление 137Cs древесными растениями / С. В. Фесенко [и др.] // Экология. - 2003. - № 5. - С. 347-351.
4. Булко, Н. И. Физико-химическое состояние 137Cs в почвах сосновой формации регионов с разными типами чернобыльских выпадений спустя 20 лет после аварии на ЧАЭС / Н. И. Булко // Сб. науч. тр. / Ин-т леса НАН Беларуси. - Гомель, 2009. - Вып. 69 : Проблемы лесоведения и лесоводства. -С. 516-534.
5. Диденко, Л. Г. Трансформация форм нахождения 13^ в лесной почве / Л. Г. Диденко, И. А. Спаснекова // Сб. науч. тр. / Ин-т леса НАН Беларуси. - Гомель, 1997. - Вып. 45 : Проблемы лесоведения и лесоводства на радиоактивно загрязненных землях. - С. 205-210.
6. Прогнозирование миграции 137Cs в почве / И. В. Константинов [и др.] // Почвоведение. - 1974. -№ 5. - C. 54-58.
7. Миграция Sr-90 и Сs-137 в автоморфных дерново-подзолистых почвах Белоруссии / Э. Д. Шагалова [и др.] // Почвоведение. - 1990. - № 10. - C. 114-120.
Summary
Regularities of 137Cs vertical migration in solid-podzolic forest soils are studied. The calculations, having made on the basement of quasi-diffusive modeling, allared to define the parameters of Cs speed migration in mineral oils. The degree of influence of various factors on the radionuclides availability for pine plantations is defined.
Поступила в редакцию 18.11.10.
