CC BY
62
УДК 631.46:546.36 А.С. Федотова
ПОСТРОЕНИЕ МОДЕЛИ ПЕРЕНОСА 137Cs В АГРАРНОМ ЛАНДШАФТЕ, РАСПОЛОЖЕННОМ В ЗОНЕ НАБЛЮДЕНИЯ ГОРНО-ХИМИЧЕСКОГО КОМБИНАТА
В статье приведены результаты радиоэкологического исследования аграрного ландшафта, территориально принадлежащего зоне наблюдения Горно-химического комбината. Получены уравнения линейной регрессии, позволяющие рассчитать удельную активность 137Cs в растениеводческой продукции, мышечной ткани крупного рогатого скота, молоке коровьем, производимом в аграрном ландшафте с. Б. Балчуг. Предложена модель миграции 137Cs в аграрном ландшафте, находящемся в зоне влияния ГХК.
Ключевые слова: техногенный 137Cs, накопление, миграция, радиационная опасность.
A.S. Fedotova 137Cs MODEL TRANSFERENCE CONSTRUCTION IN AN AGRICUITURAL LANDSCAPE LOCATED IN AN OBSERVATION ZONE OF THE MINING AND CHEMICAL COMPLEX
The article gives the results of radio-ecological research of the agricultural landscape territorially belonging to the observation zone of the mining and chemical complex. Equations of linear regression that allow to calculate cesium’s specific activity in the crop production, muscular tissues of cattle and cow milk produced in the agricultural landscape of the “Bolshoy Balchug” village are obtained. Cesium migration model in the agricultural landscape located in the influence zone of the mining and chemical complex is offered.
Keywords: technogenic 137Cs, accumulation, migration, radiation danger.
Проблема изучения миграции радионуклидов и контроля радиоактивного загрязнения биосферы привлекает внимание не только радиоэкологов, но и органов государственной власти, и широких кругов населения. Особую актуальность проблемы радиоэкологии приобрели после крупных радиационных аварий с выбросом радиоактивных веществ в окружающую среду (аварии на Южном Урале в 1957 г., на Чернобыльской АЭС в 1986 г.), а также в результате проведения массовых испытаний ядерного оружия (1949-1965 гг.) на Семипалатинском полигоне. В результате атмосфера, гидросфера и литосфера насытились долгоживущими техногенными радионуклидами. Техногенные радионуклиды, мигрируя по цепочке: почва - растения - сельскохозяйственные животные - продукция животноводства, депонируются в органах и тканях животных, подвергают хроническому облучению костный мозг, органы воспроизводства, а также вызывают развитие имму-нодепрессивных состояний. Это приводит не только к снижению продуктивности животных, но и вызывает опасения радиационной безопасности продукции животноводства.
Территории, где произошли крупные аварии на предприятиях ядерно-промышленного комплекса или были проведены испытания ядерного оружия, детально изучены специалистами различных отраслей наук. В результате установлены закономерности миграции техногенных радионуклидов по трофическим цепям с учетом территориальных особенностей [1-8].
На данный момент особый интерес представляют ситуации рассмотрения миграции радионуклидов в «горячих» радиоэкологических районах или в агроэкосистемах, находящихся в непосредственной близости к площадкам АЭС и другим предприятиям ядерно-топливного цикла.
На территории Российской Федерации есть ряд регионов с радиационной обстановкой, вызывающей беспокойство у населения и лиц, принимающих решения. Причиной этого является многолетняя деятельность предприятий военно-промышленного комплекса. С учетом этого, на территории субъектов РФ осуществляются планомерные исследования радиационной обстановки. Объектом исследования при этом явля-
ются человек и окружающая его среда. При радиационном мониторинге сельскохозяйственного производства оцениваются удельные активности природных и техногенных радионуклидов лишь в продукции животноводства и растениеводства.
К числу таких территорий относятся и центральные районы Красноярского края, где около полувека функционируют предприятия бывшего военного ядерно-промышленного комплекса страны. Одно из них -ФГУП «Горно-химический комбинат» (ФГУП «ГХК»), относящийся к числу предприятий первой категории потенциальной радиационной опасности, для него установлена зона наблюдения протяженностью 1 000 км. Кроме того, в центральных районах края выявлены многочисленные радиоактивные аномалии природного происхождения. Как следует из «Геологического атласа России», центральные районы Красноярского края относятся к «опасным площадям». В то же время именно эти районы края относятся к числу ведущих аграрных регионов страны.
Систематическое изучение и независимый контроль радиационной обстановки в зоне наблюдения ГХК начались с конца 80-х годов. К середине 90-х годов в пойме Енисея в пределах зоны наблюдения было выявлено более 150 участков с аномально высоким уровнем радиоактивного загрязнения. Основными нуклидами, определяющими радиационную опасность почвогрунтов, являются кобальт-60, стронций-90, цезий-137, европий-152 и 154 и плутоний-239, 240 [9].
Известно, что радиационная обстановка в крае в целом изучена достаточно хорошо, однако целенаправленное изучение влияния радиоактивных выбросов и сбросов ФГУП «ГХК» на загрязнение компонентов аграрных ландшафтов и показатели радиационной безопасной продукции животноводства в Красноярском крае ранее не проводилось.
Целью данной работы является установить уровни радиоактивного загрязнения основных компонентов аграрного ландшафта и продукции животноводства, изучить зависимость между удельной активностью радионуклидов в этих объектах, построить прогностические модели и модели миграции радиоактивных нуклидов по трофической цепи.
Объектом исследования выбран аграрный ландшафт с. Б. Балчуг, который располагается в лесостепной зоне края и административно относится к Сухобузимскому району. Аграрный ландшафт с. Б. Балчуг расположен в зоне наблюдения Горно-химического комбината. В его сторону ориентировано основное, северовосточное, направление ветров, переносящих газо-аэрозольные выбросы ФГУП ГХК, а сбросы ФГУП ГХК в воду р. Енисей.
В ходе работы были детально изучены радиоэкологические характеристики основных компонентов аграрного ландшафта: почвы, воды, растений, кормов, продукции животноводства (молоко, мясо, костная ткань). Работа проводилась в условиях мелких ферменных биогеоценозов (частных подворий), агроценозов, принадлежащих аграрному ландшафту с. Б. Балчуг. Исследования проводились в 2003-2007 годах. Радиоэкологическое обследование проводилось согласно регламентирующим документам [10, 11].
В настоящее время миграция 137Св по трофической цепи: почва - грубые корма - продукция животноводства в аграрном ландшафте с. Б. Балчуг находится в равновесном состоянии. Данные, полученные в период исследований с 2003 по 2006 год, принадлежат одному интервалу значений (табл. 1), из чего следует, что газо-аэрозольные выбросы ГХК в этот период продолжались с постоянной интенсивностью.
Таблица 1
Загрязнение 13^ чернозема обыкновенного сенокосно-пастбищных биогеоценозов расположенных
около с. Б. Балчуг
Год Количество проб Удельная активность 137Св, Бк/кг
Диапазон изменчивости Среднее значение
2003 10 ,5 3, +1
2004 12 10,1...101 00 со +1 ,5 3, со
2005 12 14...350* 5 0, 4 + 3
2006 17 5 ,3 +1 00 5
Построение модели миграции 137Св в изучаемом аграрном ландшафте необходимо для прогнозирования удельной активности этого радионуклида в животноводческой продукции с учетом уровня техногенного радиоактивного загрязнения местности, ее изменения в случае увеличения радиоактивности газо-
* Значение 350 Бк/кг в расчеты не включалось по причине единичного.
аэрозольных выбросов ГХК, а также для установления возможности выбора участков заготовки грубых кормов, скармливание которых способствует получению радиационно-чистой мясомолочной продукции.
При изучении миграции 13^ использовались коэффициенты накопления (Кн), перехода (Кп), кратности накопления ^), а также статистические методы, предназначенные для оценки коэффициентов корреляции и построения линейных регрессионных моделей.
Интенсивность поступления радионуклидов в сено разнотравное оценивалась с использованием коэффициента накопления (концентрационного отношения), рассчитываемого по средним значениям удельной активности, полученным при выполнении настоящей работы:
к. =4м
(1)
н
где [R]p - концентрация радионуклида в растении, Бк/кг сух. массы;
[R]b - концентрация радионуклида в почве, Бк/кг сух. массы.
Транспорт 137Cs в мышечную ткань крупного рогатого скота рассчитывался с использованием показателя кратности накоплений F. Этот показатель определяет соотношение концентрации радионуклида в ткани к новому поступлению в условиях длительного введения
F = ^. 2)
Q
где С - концентрация радионуклида в ткани, Бк/кг;
М - масса ткани, кг;
Q - количество радионуклида, ежедневно поступающее с рационом, Бк.
Для расчета этого показателя использовались средние значения, полученные в результате настоящей работы.
Коэффициент перехода радионуклида в продукцию животноводства рассчитывался по формуле
U
(3)
почвы
где Rnpod - удельная активность радионуклида в продукции животноводства, Бк/кг;
Rno4e - удельная активность радионуклида в почве, Бк/кг.
Коэффициент корреляции (r) между удельной активностью радионуклида в звеньях цепи миграции, величина достоверности аппроксимации (R) и уравнение регрессии для каждого звена миграции рассчитывались с использованием методов статистической обработки данных на основе математического пакета, входящего в состав программы Excel.
Расчеты выполнены в период стойлового содержания, результаты приведены в таблице 2.
Таблица 2
Показатели миграции техногенных радионуклидов в аграрном ландшафте с. Б. Балчуг
Радионуклид Звено миграции Показатель Среднее значение ^эффициент линейной корреляции
137Cs Почва - сено разнотравное 0,1 0,30
Сено разнотравное -молоко коровье IK, 0,003 0,56
F 0,3
Сено разнотравное -мышечная ткань IK, 0,006 0,70
F 0,5
Значения коэффициента накопления 13^ многолетними растениями и коэффициента перехода 13^ в продукцию животноводства в аграрном ландшафте с. Б. Балчуг находятся в диапазоне, совпадающем с данными, приводимыми в научных публикациях, но впервые они получили конкретные численные значения, характерные для изучаемого аграрного ландшафта (см. табл. 2). В дальнейшем они могут использоваться для оценки перехода 13^ между звеньями миграции в аграрном ландшафте с. Б. Балчуг, в том числе в случаях изменения радиоэкологической ситуации, связанной с продолжающейся деятельностью ГХК.
Модель миграции 13^, построенная на основании полученных данных, представленных в таблице 2, приведена на рисунке 1.
Рис. 1. Модель миграции 137Cs в аграрном ландшафте с. Б. Балчуг
Агрохимические показатели почв, видовой состав и биологические особенности растительного покрова сенокосно-пастбищных биогеоценозов, природно-климатические условия (продолжительность вегетационного периода, тепло- и влагообеспеченность и т.п.) аграрного ландшафта с. Б. Балчуг привели к доступности лишь 10 % почвенного 137Cs.
Крупный рогатый скот как звено трофической цепи в условиях изученного аграрного ландшафта (см. рис. 1) является значительной преградой на пути миграции 137Cs в молочную продукцию. Это звено тормозит до 97% 137Cs, поступившего с рационом в организм животного, при его миграции в молоко и 94% 137 Cs - при миграции в мышечную ткань.
В результате биометрической обработки данных с использованием статистического пакета программы Excel установлена тесная линейная корреляционная связь (r = 0,98) между удельной активностью 137Cs в мышечной ткани крупного рогатого скота и в черноземе обыкновенном. Умеренная линейная корреляционная связь (r = 0,56) установлена между удельной активностью 137Cs в сене разнотравном и в молоке коровьем; удельной активностью 137Cs в сене разнотравном и в мышечной ткани крупного рогатого скота (r = 0,70); удельной активностью 137Cs в черноземе обыкновенном и в молоке коровьем с коэффициентом линейной корреляции (r = 0,62). Между показателями удельной активности 137Cs в черноземе обыкновенном и в сене разнотравном установлена слабая линейная корреляционная связь (r = 0,30).
Однако полученные значения коэффициентов корреляции могут рассматриваться только как оценочные, так как вычисление их выполнено с учетом справедливости предположения о соответствии распределения эмпирических данных нормальному закону. Из-за ограниченного объема выборок выполнить строгую проверку этого априорного предположения не представляется возможным. Поэтому в дальнейшем оценки степени взаимозависимости удельной активности 137Cs в изучаемых объектах выполнены с использованием коэффициента ранговой корреляции Спирмена, свободного от вышеуказанного ограничения. Его расчет основан на замене эмпирических значений их рангами, располагаемыми в порядке возрастания.
Расчет рангового коэффициента корреляции производился по формуле
г = 1 - -
(4)
где
-1^'
б- разность рангов сопряженных значений эмпирических величин х, и у; п - количество пар в выборке.
Для проверки значимости рангового коэффициента корреляции рекомендуют использовать величину
Гкр, равную
, z(p)
1rp I Л ' ып-1
1=1
где 1(Р) - значение обратной функции нормального распределения при доверительной вероятности Р.
Исходные данные, необходимые для расчета рангового коэффициента корреляции Спирмена между значениями удельной активности 13^ в сене разнотравном и черноземе обыкновенном Балчугской агроэкосистемы, приведены в таблице 3.
Таблица 3
Исходные данные для вычисления коэффициента ранговой корреляции между удельной активностью почвы и сена разнотравного
Чернозем обыкновенный Сено разнотравное d2
Удельная активность, Бк/кг Ранг Удельная активность, Бк/кг Ранг
50,0 4 2,3 7 -3 9
37,3 2 2,0 6 -4 16
35,6 1 1,1 4 -3 9
78,7 9 3,0 9 0 0
73,4 8 2,8 8 0 0
41,6 3 0,71 2 1 1
87,0 11 3,0 10 1 1
84,0 10 3,0 11 -1 1
60,1 6 0,80 3 3 9
57,7 5 0,60 1 4 16
70,4 7 1,5 5 2 4
IX = 66
Рассчитанное значение рангового коэффициента корреляции равно 0,70. Величина обратной функции нормального распределения для доверительной вероятности 0,95 равна 1,64, а критическая величина рангового коэффициента корреляции для 11 значений при этой доверительной вероятности составляет 0,51. Таким образом, эмпирическое значение рангового коэффициента корреляции превышает критическую величину, что свидетельствует о статистически значимой корреляционной связи между значениями удельной активности 137Cs в черноземе обыкновенном и сене разнотравном.
Наряду с выявлением корреляционной зависимости между удельной активностью 137Cs в отдельных звеньях цепи миграции, практически важным является установление количественной связи между ними в любой период мониторинговых исследований. С этой целью был проведен регрессионный анализ с использованием программы Excel.
Линейная зависимость удельной активности 137Cs в сене разнотравном от удельной активности этого радионуклида в черноземе обыкновенном на сенокосных биогеоценозах аграрного ландшафта с. Б. Балчуг представлена на рисунке 2.
Удельная активность почв, Бк/кг
Рис. 2. Линейная зависимость удельной активности 137Св в сене разнотравном и черноземе обыкновенном сенокосных биогеоценозов аграрного ландшафта с. Б. Балчуг
Следовательно, правомочно использование полученного нами уравнения линейной регрессии (6), позволяющего рассчитать удельную активность 13^ в растениеводческой продукции, выращиваемой в аграрном ландшафте с. Б. Балчуг, при известной концентрации 13^ в черноземах обыкновенных:
у = 0,0357* - 0,2982. (6)
Для трофической цепочки аграрного ландшафта с. Б. Балчуг установлена линейная зависимость между удельной активностью 13^ в сене разнотравном (у) и мышечной ткани (х) с коэффициентом аппроксимации Р2, равным 0,5:
у = 0,018х + 0,34. (7)
Такая зависимость является ожидаемой, так как очевидно, что удельная активность 13^ в продукции животноводства должна находиться в прямой зависимости от радиоактивности кормов, составляющих рацион сельскохозяйственных животных.
Практическая значимость этого уравнения заключается в том, что с его использованием можно достаточно точно определить ожидаемую удельную активность 13^ в мышечной ткани крупного рогатого скота.
В аграрном ландшафте с. Б. Балчуг зависимость удельной активности 13^ (у) в молоке коровьем от его удельной активности в сене разнотравном (х), заготавливаемом на сенокосных угодьях, носит линейный характер. Эта зависимость описывается уравнением следующего вида:
у = 0,0104 х-+ 0,1461 ■ (8)
Установленная линейная зависимость свидетельствует о том, что даже незначительное повышение радиоактивности рациона, обусловленное присутствием 137^, приводит к эквивалентному увеличению
удельной активности этого радионуклида в молоке коровьем. Соответственно, удельная активность молока,
в отличие от мышечной ткани, является объективным показателем загрязненности техногенными радионуклидами рациона.
Известно, что мышечная ткань является мишенью для 137^. Поэтому мясо крупного рогатого скота, наряду с молоком, относится к числу основных дозообразующих продуктов. С учетом этого целесообразно изучить вопрос о наличии зависимости удельной активности 13^ в мышечной ткани скота от радиоактивности почвы на сенокосных угодьях, тем более, что данные, показанные на рисунке 3, наглядно свидетельствуют в пользу ее существования.
Результаты определения удельной активности 13^ в мышечной ткани и в почве, необходимые для расчета коэффициента ранговой корреляции Спирмена, приведены в таблице 4.
л
н
о
о
X
т
I-
и:
а
к
то
X
л
с
ш
С1
0,41
0,4
0,39
0,38
0,37
0,36
0,35
0,34
45 50 55 60 65 70
75
80 85
90
Удельная активность почв, Бк/кг
Рис. 3. Линейная зависимость удельной активности 1370в в мышечной ткани крупного рогатого скота
от концентрации 1370в в черноземе обыкновенном
Таблица 4
Исходные данные для вычисления рангового коэффициента корреляции между удельной активностью 13^ в мышечной ткани крупного рогатого скота и в черноземе обыкновенном
Чернозем обыкновенный Мышечная ткань d df
Удельная активность, Бі^кг Ранг Удельная активность, Б^кг Ранг
50 1 0,35 1 0 0
84 4 0,40 3 1 1
60,12 2 0,36 2 0 0
78,7 3 0,40 3 0 0
Ed f=1
Рассчитанное значение оказалось равным 0,9. Это свидетельствует о тесной взаимосвязанности удельной активности 137Cs в черноземе обыкновенном и в мышечной ткани крупного рогатого скота и позволяет описать зависимость между этими показателями следующей линейной моделью:
у — 0,002х + 0,27. (9)
Полученное уравнение линейной регрессии может использоваться для расчета удельной активности 137Cs в мышечной ткани крупного рогатого скота Балчугской агроэкосистемы при известной концентрации 137Cs в черноземах обыкновенных.
Таким образом, использование методов статистического анализа позволило надежно выявить существование зависимости удельной активности 137Cs в продукции растениеводства и животноводства от уровня техногенного радиоактивного загрязнения почв сенокосных биогеоценозов и описать эти зависимости эмпирическими уравнениями линейной регрессии. Установлено, что удельная активность 137Cs в почвах сенокосных биогеоценозов аграрного ландшафта с. Б. Балчуг может служить объективным показателем содержания 137Cs в продукции животноводства и растениеводства. Этот вывод имеет практическую ценность, так как позволяет прогнозировать степень радиационной опасности мясомолочной продукции на основании многочисленных сведений об уровне техногенного радиоактивного загрязнения почв в зоне наблюдения ГХК. Кроме того, становится возможным производство радиационно чистой продукции животноводства путем выбора земельных участков для заготовки сена с минимальным уровнем загрязнения техногенными радионуклидами.
Литература
1. Булгаков, А.А. Моделирование перехода радиоцезия из почвы в растения / А.А. Булгаков, О.В. Шкута // Радиоэкология. - 2004. - Т.44. - №3. - С. 351-360.
2. Фрид, А.С. Миграция как один из показателей буферности ландшафта к загрязнению радиоцезием / А.С. Фрид // Радиоэкология. - 2005. - Т45. - №3. - С. 236-240.
3. Шубина, ОА Моделирование миграции 137Cs в агроэкосистемах в условиях проведения защитных и реабилитационных мероприятий / О.А. Шубина, С.Ф. Фесенко// Радиоэкология. - 2004. - Т44. - №5. - С. 591-602.
4. Зависимость накопления 137Cs и 90Sr в травяных кормах от степени окультуренности дерновоподзолистых почв / И.М. Богдаевич [и др.] // Радиоэкология. - 2005. - Т.45. - №2. - С. 241-247.
5. Прогнозирование накопления 137Cs и 90Sr в травостоях основных типов лугов Белорусского полесья по агрохимическим свойствам почв / А.Г. Подоляк [и др.] // Радиоэкология. - 2005. - Т45. - №1. - С. 100-111.
6. Закономерности изменения содержания 137Cs в молоке в отдаленный период после аварии на Чернобыльской АЭС / С.В. Фесенко [и др.] // Радиоэкология. - 2004. - Т.44. - №3. - С. 336-345.
7. Исследования закономерностей поведения радиоцезия в почвенно-растительном покрове Белорусского Полесья после аварии на ЧАЭС / Н.В. Гребеньщикова [и др.] // Агрохимия. - 1992. - №1. - С. 91.
8. Метаболизм радионуклидов в организме сельскохозяйственных животных / А.Н. Сироткин; под ред. Р.М. Алексахина // С.-х. радиоэкология. - 1991. - № 2. - С. 92-105.
9. Закономерности распределения и миграции радионуклидов в долине реки Енисей / Ф.В. Сухорукое [и др.]. - Новосибирск: Изд-во Со РАН, Филиал «Гео», 2004. - 286с.
10. МУ 13.5.13-00. Организация государственного радиоэкологического мониторинга агроэкосистем в зоне воздействия радиационно опасных объектов. - М.: ВНИИСХРАЭ, 2000. - 28с.
11. Отбор проб объектов ветеринарного надзора для проведения радиологических исследований. - М., 1997.
'--------♦-----------
