CC BY
49
БІЯЛАГІЧНЫЯ НАВУКІ
13
УДК 663.2.032:546.36 + 42
Т. А. Тимофеева
РАДИОЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА ПОЙМЕННЫХ ЛАНДШАФТОВ (на примере поймы р. Сож)
В статье приводятся сведения по горизонтальной миграции 137 Cs в пойме р. Сож в окрестностях д. Новоселки и д. Радуга Ветковского района Гомельской области. Сделаны выводы о влиянии ландшафтно-биогеохимических особенностей территории на миграцию и сорбцию радионуклида в почве.
Введение
В речных долинах распределение техногенных изотопов во многом определяется естественными миграционными процессами химических элементов по ландшафтам поймы и их вовлечением в пойменное почвообразование [1]. Современные биогеохимические процессы сопровождаются перераспределением радионуклидов в экосистемах, всё больше ставя их распределение в зависимость от природных особенностей территории [2], а также от типов почв [3]. В Гомельской области насчитывается 31 800 га аллювиальных земель, загрязнённых радионуклидами, основные массивы которых сосредоточены в поймах рек Припять, Сож, Ипуть и др. Один из наиболее загрязнённых районов - Ветковский (загрязнено 14 200 га пойменных угодий или 45% от общего по области) [4]. Поэтому пойма р. Сож в пределах данного района требует более детального исследования для определения путей оптимизации использования её в качестве кормовой базы для животноводства.
Материал и методы исследования. Исследования проводились в течение 2000-2004 гг. в окрестностях д. Новоселки и д. Радуга Ветковского района Гомельской области, имеющих высокую степень радиоактивного загрязнения радионуклидами 137Cs, с учетом ландшафтнобиогеохимических особенностей территории. На исследуемом участке заложено 2 ландшафтных профиля (рисунки 1, 2). Структурно-функциональные части охарактеризованы 24 точками комплексного описания со съемкой географических координат и высот над уровнем моря при помощи спутникового персонального навигатора Garmin GPS12 XL. В пределах поймы выделены: прирусловая пойма (отмель Т. 1, 10, 14, вал Т. 2, 11, 15, 16), старица (Т. 17 на границе прирусловой и центральной поймы), центральная пойма (повышенная Т. 5, 6, 18, 21 и пониженная части Т. 4, 19, 20, 22), притеррасная пойма Т. 7, 23, также исследования проводились на первой надпойменной террасе Т. 8, 9, 24.
Фактическим материалом для статьи послужили данные детальной радиационной съемки объекта исследования (более 500 образцов почвенного покрова и растительности).
1-я надпойменная терраса Притеррасная Прирусловая Центральная пойма - ,, пойма пойма Центральная пойма
136 • 134 • 132 • 130 • 128 • 126 • 124 • 122 • 8 9 V
1 І ~
1 : S
5 І І Ё. С
12 13
7 13
200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000
Рисунок 1 - Ландшафтный профиль № 1
14
ВЕСНІК МДПУ імя І. П. ШАМЯКІНА
Результаты исследования и их обсуждение
Плотность загрязнения 137Cs почвы исследуемого участка варьирует от 50 до 1200 кБк/м2 (рисунок 3).
В результате исследований определены особенности структуры поля загрязнения на фациальном уровне, которые заключаются в сочетании фоновых и аномальных зон. При этом фоновыми считаются участки с уровнями загрязнения, близкими к средним официальным данным (185-555 кБк/м2).
Проявления аномальных зон с повышенной или пониженной плотностью загрязнения топографически приурочены к ограниченному ряду элементов ландшафта. Главным образом, это заболоченные старицы, ложбины или гряды центральной поймы, повышения прируслового вала и т. д. Более детально дифференциация плотности загрязнения данных объектов изучена с помощью метода профилирования.
Повышенные уровни радиоактивности обусловлены накоплением 137Cs на локальных геохимических и биогеохимических барьерах. Пониженная плотность загрязнения (прирусловая отмель) объясняется механическим удалением радионуклида во время половодий и паводков (т. е. промывным режимом) в связи со слабой задернованностью данного структурного элемента пойменной экосистемы.
1200 кБк/кв.м 1000 кБк/кв.м 800 кБк/кв.м 600 кБк/кв.м 400 кБк/кв.м 200 кБк/кв.м 0 кБк/кв.м
Профиль № 1 Профиль № 2
Рисунок 3 - Рельефная карта плотности загрязнения 137Cs почвенного покрова объекта исследования
БІЯЛАГІЧНЫЯ НАВУКІ
15
Средняя плотность загрязнения почвы 137Cs профиля № 1 за 2000-2004 гг. исследования составила 538 кБк/м2. Содержание 13^s в почве профиля № 2 за 2001-2004 гг. исследования -503 кБк/м2. В целом наблюдается тенденция уменьшения количества 13^s на ландшафтных профилях поймы р. Сож. Она рассчитана как среднее арифметическое почвы и составляет 9-10% в год около 54 кБк/м2.
При этом необходимо учитывать роль естественного распада радионуклидов. Определено, что в ходе естественного распада содержание радионуклида уменьшается на 2,3% в год, что составляет в среднем около 12-13 кБк/м2 по обоим профилям. Оставшаяся часть радиоцезия (41-42 кБк/м2), видимо, фиксируется корневой системой, проникает в глубжележащие слои, выносится грунтовыми и паводковыми водами и т. д. Подобная тенденция снижения средней удельной активности 137Cs по профилю выявлена Л. И. Страх (1999) при исследовании краевой зоны болота [5].
Особенностью горизонтального распределения является также дифференциация содержания 137Cs в почвенном покрове по профилю экосистемы. Это обусловлено многими факторами и, в первую очередь, пространственно-временной динамикой физико-химических форм 137Cs. В данной работе исследование форм радиоцезия не проводилось, но на это косвенно может указывать динамика содержания радиоцезия по годам на различных частях пойменного ландшафта. В дерново-подзолистых почвах первой надпойменной террасы, которая не подвергается ежегодному затоплению, дифференциация 137Cs ниже по сравнению с другими частями поймы. Радиоцезий прочно закреплён на сорбционном и нейтральном геохимических барьерах, связанных с высоким содержанием физической глины, и в условиях, близких к нейтральным. В сорбции радиоцезия важна роль органического вещества, в частности гуминовых кислот.
На дерново-глеевых и глееватых гидроморфных почвах прирусловой, центральной и притеррасной частей экосистемы поймы р. Сож отмечена дифференциация 137Cs по годам исследования. Это указывает здесь на повышенную долю подвижных форм радионуклида. Вероятно, важна роль органического вещества в миграции 137Cs в гидроморфных почвах профиля, т. к. органическое вещество, прочно сорбирующее радиоцезий и переходящее в раствор при высоких уровнях обводнённости, способствует увеличению подвижности радионуклида. Ежегодное затопление поймы способствует увеличению миграционной способности 137Cs, частичному выносу за пределы поймы с паводковыми водами.
Распределение 137Cs в почвах профиля № 2 имеет несколько другой характер. Прежде всего, различия обусловлены наличием старицы, характеризующейся максимальным содержанием радионуклида (в среднем около 1130 кБк/м2).
Нами установлено высокое содержание 137Cs в почвах на повышении прируслового вала (Т. 15), в среднем около 1100 кБк/м2, и на дерново-глеевых почвах повышенных и пониженных участков центральной поймы (ТТ. 18, 19, 21).
Сорбционный барьер старицы аккумулирует около 26% радиоцезия по профилю, причем 137Cs аккумулируется вместе с Fe203 и К2О. На сорбционном и биогенном барьерах пониженных участков центральной поймы аккумулируется около 10% радиоцезия вместе с Fe203, Ca, К2О, Mg.
Для дерново-глеевых и глееватых почв старицы и пониженных участков центральной поймы основной фракцией, ответственной за сорбцию 137Cs в почве, является в нашем случае физическая глина. В наших исследованиях получена положительная корреляция (рисунок 4а: r = 0,97; n = 36) данного показателя с плотностью загрязнения почвенного покрова старицы и пониженных участков центральной поймы. Это хорошо согласуется с литературными данными [6]-[8], в которых показано, что в илистой фракции почв (в нашем случае физической глины) сорбируется наибольшее количество 137Cs. Совокупность почвенно-химических реакций, ведущих к снижению содержания 137Cs в почве и уменьшению его накопления растениями, получила название «старение» [9]. Процессы, ведущие к старению 137Cs в пойменных почвах р. Сож, различны. В частности, 137Cs участвует в кристаллохимических реакциях с вхождением радионуклида в межпакетные пространства вторичных глинистых минералов.
16
ВЕСНІК МДПУ імя І. П. ШАМЯКІНА
Прочно фиксированные ионы радиоизотопов Cs в существенно меньшей степени переходят в почвенный раствор, и, следовательно, в меньшей степени доступны растениям [9]. На сорбцию 137Cs дерново-глеевыми почвами понижений центральной поймы оказывает существенное влияние К2О: замещение всех обменных катионов на калий заметно увеличивает сорбцию 137Cs. Здесь обнаружена положительная корреляция (рисунок 4б: r = 0,66; n = 40) между плотностью загрязнения почвенного покрова и содержанием К2О в верхнем почвенном горизонте. Выявлена положительная корреляция Сгк с содержанием 137Cs в верхнем почвенном горизонте (рисунок 4в: r = 0,68; n = 54). Несомненное влияние на сорбцию 137Cs оказала величина гидролитической кислотности. Выявлено, что чем выше величина Hr, тем больше 137Cs сорбируют дерново-глеевые почвы. Установлена положительная корреляция (рисунок 4г: r = 0,92; n = 54).
Рисунок 4 - Влияние агрохимических свойств почвенного горизонта А1 понижений центральной поймы и старицы на сорбцию 137Cs в почве
Относительно высокое содержание 137Cs в дерново-глеевых почвах старицы (в среднем около 1200 кБк/м2) связано с высокой емкостью катионного обмена - около 40 мг-экв/100г. Показатель Т является важнейшей комплексной характеристикой обменно-поглотительной способности почвы, обусловленной взаимодействием в ней катионов, в том числе и радиоактивных. Обменное поглощение, характеризующее способность почвенных коллоидов поглощать из раствора катионы в обмен на эквивалентное количество других катионов, влияет на характер взаимодействия 137Cs с почвой [10]. Чем больше емкость катионного обмена, тем прочнее почва сорбирует радиоцезий. На дерново-глеевых почвах старицы и понижений центральной поймы р. Сож обнаружена положительная корреляция (r = 0,82; R2 = 0,68; n = 54; y = 45,59x - 278,69) между емкостью катионного обмена и содержанием 137Cs в почве. Радиоцезий, сорбируемый почвой по обменному типу, является наиболее доступным для растений. 137Cs на старице (Т.17) аккумулируется вместе с К2О и Р2О5: это видно при сравнительной оценке пространственного распределения химических элементов по профилю.
На биогеохимическом и нейтральном барьерах повышенных участков центральной поймы аккумулируется относительно высокое содержание 137Cs - около 17% от суммарной плотности загрязнения почвенного покрова профилей. Основное влияние на сорбцию 137Cs на повышениях центральной поймы оказывает содержание физической глины в почве (рисунок 5а: r = 0,76; n = 36) и Hr (рисунок 5б: r = 0,72; n = 36).
БІЯЛАГІЧНЫЯ НАВУКІ
17
Рисунок 5 - Влияние агрохимических свойств почвенного горизонта А1 повышений центральной поймы на сорбцию 137Cs в почве
Характерной чертой почвенного покрова долины р. Сож является связь типов почв и почвообразовательных процессов с фациальными обстановками аллювиального седиментогенеза. В прирусловой и притеррасной частях поймы имеют место различия в процессах почвообразования, а следовательно, и в поведении химических элементов. Прирусловая отмель (ТТ. 1, 14) вследствие промывного режима и распространения слаборазвитых песчаных почв, не закреплённых растительностью, характеризуется минимальным по профилю содержанием 137Cs в почве - не более 180 кБк/м2 (около 2% от суммарной плотности загрязнения профилей). Данные почвы из-за неблагоприятных физико-химических показателей не способны сорбировать радионуклиды в почве и снижать их переход в наземный покров, что обусловливает повышенные коэффициенты пропорциональности.
В наших исследованиях установлено, что концентрация радионуклида в почве прируслового вала (ТТ. 2, 15, 16) значительно выше, чем других элементов структуры поймы -до 500-1200 кБк/м2. На механическом геохимическом барьере прируслового вала в почвенном покрове аккумулируется около 15% от общей плотности загрязнения по профилям. 137Cs аккумулируется вместе с Fe. Видимо, из-за повышенного рельефа во время половодий и паводков на валу задерживаются и откладываются в большом количестве наносы песчаного и супесчаного состава, привнося с собой и радионуклиды. Сорбция радиоцезия почвой происходит, в основном, за счёт осаждения на механическом барьере, обусловленном резким переходом от песчаных почв прирусловой поймы к супесчаным почвам центральной.
Большое влияние на гидрохимическую среду оказывает увлажнение и заболоченность территории. К наиболее увлажненным структурным элементам пойменной экосистемы относится притеррасная пойма. На биогеохимическом и сорбционном барьерах притеррасной поймы осаждается около 14% радиоцезия. 137Cs сорбируется вместе с Fe203, Ca, Mg и P2O5. Дерново-глеевые песчаные с погребённым торфом почвы профиля № 1 (Т. 7) характеризуются относительно высоким содержанием 137Cs в верхнем гумусовом горизонте, около 500 кБк/м2, плотность загрязнения торфяно-болотных почвы притеррасной поймы профиля № 2 (ТТ. 22, 23) сравнительно ниже - около 150-200 кБк/м2.
Исследование вертикальной миграции не проводилось из-за высокой заболоченности участка. Но, по мнению других авторов [11], торфяные почвы притеррасной поймы отличаются более высокой степенью вертикальной миграции 137Cs в отличие от минеральных почв. Зольность в Т. 22 и Т. 23 максимальная по профилю. Закрепление 137Cs, видимо, осуществляется, в основном, органическими компонентами почв в результате ионообменной сорбции радиоизотопа. Это говорит о потенциальной доступности радионуклида растениям и представляет угрозу для выноса за пределы экосистемы. Многие авторы указывают на необходимость выделения торфяно-болотных почв в качестве «критичных», на протяжении длительного времени представляющих потенциальную опасность для поступления 137Cs в пищевую цепь через звено «почва-растение» [12], [13]. Способствует закреплению радионуклида на данном участке высокое содержание гуминовых кислот. Обнаружена положительная корреляция с содержанием 137Cs в верхнем почвенном горизонте притеррасной поймы (рисунок 6: r = 0,96; n = 17). С соединениями гуминовых кислот связывается низкая миграционная способность 137 Cs также в исследованиях В. А. Кузнецова и др. [9].
18
ВЕСНІК МДПУ імя І. П. ШАМЯКІНА
Рисунок 6 - Влияние содержания гуминовой кислоты в верхних почвенных горизонтах притеррасной поймы на сорбцию 137Cs в почве
На сорбционном и нейтральном барьерах первой надпойменной террасы аккумулируется относительно высокое содержание 137Cs - около 17% от суммарной плотности загрязнения профилей. Терраса характеризуется дерново-подзолистыми временно-избыточно-увлажняемыми почвами. Данные почвы загрязнены 137Cs от 500 (Т. 9) до 600-900 (ТТ. 24, 8) кБк/м2. Причем минимальная плотность загрязнения приурочена к высоко окультуренной части террасы, занятой пашней (Т. 9), а максимальная - к естественным угодьям (ТТ. 24, 8).
Высокая сорбция 137Cs в дерново-подзолистых почвах первой надпойменной террасы определяется, прежде всего, действием нейтрального барьера, где сорбцию радиоцезия, видимо, обусловливает близкая к нейтральной величина рН (рисунок 7а: r = 0,79; n = 36), что, в свою очередь влияет на закрепление радиоцезия и снижение поступления в наземный покров. Также установлено, что чем выше величина гидролитической кислотности Hr, тем больше 137Cs сорбируют дерново-подзолистые почвы первой надпойменной террасы, то есть существует положительная корреляция (рисунок 7б: r = 0,92; n = 48).
Рисунок 7 - Влияние агрохимических свойств верхних почвенных горизонтов первой надпойменной террасы на сорбцию 137Cs в почве
Выводы
Обобщив вышеприведённые результаты исследования распределения 137Cs в почвенном покрове, мы установили, что к местам повышенных концентраций радионуклидов в речной долине р. Сож относятся: старицы, понижения и повышения центральной поймы, первая надпойменная терраса, прирусловой вал, притеррасная пойма; в почвенном покрове: аллювиально-дерново-глеевые и глееватые и иногда дерново-подзолистые, временно избыточно увлажняемые (первая надпойменная терраса), торфяные; в гидрологическом отношении -места преимущественного накопления наилков в период половодий, участки поймы с замедленным инфильтрационным перемывом почв. Деятельность геохимических барьеров обусловливает выход 137Cs из процессов активной долинной миграции, связанный с погребением и сорбцией радионуклида вместе с песками в прирусловой зоне, с илами в центральной пойме и старицах, с сорбцией на гумусовоми других горизонтах почв.
БІЯЛАГГЧНЫЯ НАВУКІ
19
Перечень принятых в статье обозначений и сокращений
Т - емкость катионного обмена. Выражается в миллиграмм-эквивалентах на 100 г почвы (мг-экв/100 г почвы). Зависит от содержания в почве коллоидной и пред-коллоидной фракций, строения их поверхности, природы почвенного поглощения, реакции среды.
Hr - величина гидролитической кислотности, характеризует общее количество поглощенного водорода (мг-экв/100 г почвы).
рН - обменная кислотность, характеризует активность ионов водорода в растворах и жидкостях.
Литература
1. Войтов, И. В. Научные основы рационального управления и охраны водных ресурсов трансграничных рек для достижения устойчивого развития и эколого-безопасного водоснабжения Беларуси / И. В. Войтов. - Минск : Современное слово, 2000. - 475 с.
2. Лукашёв, В. И. Геохимическое поведение элементов в гипергенном цикле миграции / В. И. Лукашёв. - Минск : Наука и техника, 1964. - 462 с.
3. Агеец, В. Ю. Агрохимические свойства и гранулометрический состав почв как факторы, влияющие на поступление радионуклидов 137Cs и 90Sr в растения на минеральных почвах / В. Ю. Агеец, З. В. Лозовая // Земляробства і ахова раслін. - 2009. - № 6 (67). - С. 45-47.
4. Кудельский, А. В. Радиоактивное загрязнение и прогноз состояние природных вод Беларуси / А. В. Кудельский, В. И. Пашкевич // Природные ресурсы. - 1997. - № 4. - С. 41-51.
5. Страх, Л. И. Геохимические барьеры краевой зоны болота Белорусского Полесья и концентрация на них 137Cs : афтореф. дис. ... канд. геогр. наук : 11.00.01 / Л. И. Страх ; Моск. гос. ун-т. -М., 1999. - 23 с.
6. Лазаревич, С. С. Влияние систем обработки почвы на ее физические свойства и переход 137Cs в растения / С. С. Лазаревич, А. В. Ермоленко, Н. Н. Цыбулько // Вестник Белорусской государственной сельскохозяйственной академии. - 2009. - № 2. - С. 87-91.
7. Агеец, В. Ю. Влияние гранулометрического и минералогического состава дерново-подзолистых почв на поступление техногенных радионуклидов в растения / В. Ю. Агеец, З. В. Лозовая // Земляробства і ахова раслін. - Июль-август 2008 г. - № 4 (59). - С. 46-49.
8. Ведение сельскохозяйственного производства на радиоактивно загрязненных территориях России и Беларуси / Р. М. Алексахин [и др.] ; под общ. ред. В. Е. Шевчука // Научное обеспечение Программы совместной деятельности по преодолению последствий чернобыльской катастрофы в рамках Союзного государства на 2002-2005 год. - Минск, 2004. - С. 44-46.
9. Геохимия ландшафтов Припятского Полесья / В. А. Кузнецов [и др.] ; под общ. ред. В. А. Кузнецова. - Минск : Институт геологических наук НАН Беларуси, 1997. - 240 с.
10. Нейтрализация загрязненных почв : монография / под общ. ред. Ю. А. Мажайского. - Рязань : Мещерский ф-л ГНУ ВНИИГиМ Россельхозакадемии, 2008. - 528 с.
11. Роль минерализации органического вещества дерново-подзолистых и торфяно-болотных почв в накоплении 137Cs растениями / А. С. Тулина [и др.] // Почвоведение. - 2010. - № 10. - С. 1197-1208.
12. Лекунович, С. Н. Приоритеты в мероприятиях радиоэкологической реабилитации и развития загрязненных радионуклидами территорий Белорусского Полесья в отдаленный после чернобыльской катастрофы период / С. Н. Лекунович, Н. А. Мишустин // Экологическая антропология. - Минск : Белорусский комитет «Дзеці Чарнобыля», 2007. - С. 254-258.
13. Кузнецов, В. А. О геохимической роли гумусовых кислот в миграции радиостронция и радиоцезия в речных долинах / В. А. Кузнецов, В. А. Генералова // Литосфера. - 2001. - № 1 (14). - С. 136.
Summary
The article presents information on the horizontal migration of 137Cs in the flood plain of the river Sozh near the village of Novoselki and Raduga of Gomel region, vetka District. The conclusion about the impact of landscape and biogeochemical features of the area on migration and sorption of radionuclides in the soil are made.
Поступила в редакцию 08.04.11.
