CC BY
21
УДК 631.438.2
РАДИОЭКОЛОГИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ СОВРЕМЕННОГО ЗАГРЯЗНЕНИЯ ПОЧВ МАЛЫХ ВОДОСБОРОВ КУРСКОЙ ОБЛАСТИ
Е.Н. Шамшурина
(кафедра радиоэкологии и экотоксикологии)
Радиоактивный цезий, массово поступивший в наземные экосистемы в результате ядерных испытаний и серии катастроф, в настоящее время является одним из приоритетных экотоксикантов среди радионуклидов. В целом его запасы в почве имеют глобальное и чернобыльское происхождение. Начало глобальных выпадений датируется 1954 г., с максимумами в 1957—1959 и 1963—1964 гг. и последующим устойчивым ежегодным снижением [4]. В 1986 г. на радиационную обстановку во многих регионах европейской части России оказал влияние 137С8, выброшенный в атмосферу при аварии на Чернобыльской атомной электростанции (ЧАЭС). В результате загрязнению этим элементом подверглись 19 субъектов с населением около 30 млн человек. Площадь территорий, загрязненных 137С8 с плотностью выше 1 Ки/км2, составила более 56 тыс. км2, на них проживали около 3 млн человек [8].
Пространственное распределение 137С8 и других радионуклидов непосредственно после аварии на ЧАЭС в пределах европейской части РФ подробно изучено и представлено в виде разномасштабных карт [1]. Вместе с тем перераспределению радионуклидов в пределах малых водосборных бассейнов уделяется недостаточное внимание, хотя отдельные наблюдения демонстрируют значительную интенсивность и особенности их транспорта, заключающиеся в избыточном накоплении в понижениях рельефа [4—6]. Это предполагает необходимость изучения закономерностей латеральной и вертикальной миграции изотопа 137С8 и оценки возможностей изменения поля радиоактивного загрязнения.
Цель данного исследования — изучение трансформации поля радиоактивного загрязнения почв 137С8 в пределах малого, регулярно обрабатываемого водосбора, расположенного в зоне глобальных выпадений и чернобыльского выброса.
Объект исследования
Объектом исследования выбран малый водосбор на территории Курской обл. — балка Грачёва лощина (рис. 1). Она расположена в 20 км на юго-юго-восток от Курска, в пределах опытно-производственного хозяйства ВНИИЗ и ЗПЭ по изучению эффективности почвозащитных мероприятий на склоновых и балочных водосборах. Общая площадь водосбора — около 2 км2.
По официальным данным на 1998 г., плотность загрязнения техногенным 137С8 почв Курской обл. в среднем составляла 0,27—1,08 Ки/км2 (10—40 кБк/м2).
Средний уровень загрязнения непосредственно перед чернобыльской аварией составлял около 0,059 Ки/км2 (2,2 кБк/м2). В области в зону радиоактивного загрязнения попали 168 населенных пунктов, свыше 118 тыс. человек подверглись влиянию аварийного выброса [1].
Район исследования относится к подзоне типичной лесостепной провинции Среднерусской возвышенности. Климат умеренно континентальный с относительно холодной зимой и жарким летом. Рельеф района исследования представляет собой приподнятую пологовол-нистую всхолмленную равнину, сильно расчлененную широкими древними речными долинами и балками, характерную для Среднерусской возвышенности.
Большинство склонов междуречья балки Грачёва лощина, имеющих преимущественно выпуклую форму, уклоны 1—5° и длину до 700 м, заняты пашней. Днище балки занято луговой растительностью и не распахивается. Основная часть балки имеет ящикооб-разный поперечный профиль, относительно широкое (до 25—30 м), морфологически хорошо выраженное плоское днище и два сопоставимых друг с другом крупных отвершка.
Почвенный покров балки достаточно сложной структуры. На склонах междуречья распространены слабовыщелоченные типичные и выщелоченные черноземы разной степени смытости. У подножий склонов проходит полоса смыто-намытых и намытых почв. Днище долины занимают дерновые сильнона-мытые тяжелосуглинистые почвы.
В начале 1986 г. (до чернобыльских выпадений) в приустьевой части основной балки была сооружена плотина с регулируемым шахтным водосбросом, что исключило вынос наносов и сопутствующих им радионуклидов за пределы балочного водосбора. Одновременно с этими работами было завершено создание системы противоэрозионных мероприятий на склонах, включающей ряд контурных лесополос с водозадерживающими канавами внутри каждой из них. Кроме того, на части межполосных пространств, принадлежащих водосбору северного отвершка основной долины, были сооружены валы-террасы высотой 1 м, сбрасывающие сток воды и наносов в специально залуженные днища ложбин, которые рассекают склоны водосбора. Мелиоративные работы были проведены на 70% площади водосбора, замыкаемого плотиной. На остальной части проводили традиционную обработку склонов. На полях стационара ставили опыты по контурно-мелиоративному земледелию, по
Рис. 1. Малый водосбор Грачёва лощина с расположенными на нем точками пробоотбора: DVR-1 — DVR-3 — опорные участки детального отбора проб для изучения вариабельности свойств на приводораздельных участках; DV-19 — DV-50 — серия почвенных разрезов на склонах балки; DV-1 — DV-18 — точки послойного отбора проб из разрезов в аккумулятивной части водосбора
измерению талого стока в замыкающих створах двух основных отвершков балки, а также в сети промоин, формирующихся в период талого стока, проводили детальную топографическую съемку в масштабе 1:5000; почвенную съемку, наблюдения за изменением уровня грунтовых вод.
Методы исследования
При определении плотности радиоактивного загрязнения почв и выборе методики отбора проб учитывали следующие факторы: особенности ландшафта, для которого производится оценка плотности загрязнения; интенсивность вертикальной и горизонтальной миграции радионуклида; площадь участка и др. [7].
При оценке первичного распределения радиоактивных выпадений было заложено четыре небольших по площади участка для детального отбора проб, что
позволило провести изучение неоднородности фонового загрязнения почв радиоцезием.
Форма рельефа при прочих равных условиях определяет интенсивность перемещения и дальнейшего переотложения почвенных частиц и закрепленного на них 13^. Были изучены, во-первых, участки, на которых отсутствует вынос почвы и радиоцезия (водораздел балки), во-вторых, участки сноса и транзита (склоны балки), а также участки с преобладанием аккумуляции почвенных частиц (днище балки). На каждом из участков проводили пробоотбор на определение содержания 13^ по традиционной методике [9]. Кроме того, закладывали почвенный разрез для подробного почвенно-морфологического описания и отбора проб почв из каждого горизонта для химического и физико-химического анализов.
В пределах водосбора были выделены практически не эродируемые участки (опорные площадки
DVR-1 — DVR-4), вероятность смыва с которых минимальна, — плоские приводораздельные части очень пологих склонов. Содержание 137С8 в их почве характеризует начальную плотность загрязнения элементом с учетом периода его полураспада.
Большая часть чернобыльского цезия в районе исследования поступила на дневную поверхность в течение первых двух недель после инцидента в результате мокрого осаждения [3], что обусловило первичную неоднородность загрязнения исследуемой территории как на макро-, так и на мезоуровне (в пределах водосбора). В этой связи особое внимание уделяли размещению опорных площадок по периферии исследуемого объекта, необходимых для выявления возможного тренда выпадений изотопа. Необходимость закладки опорных площадок была обусловлена числом геохимических профилей и предполагаемым направлением геохимической миграции.
Существует несколько вариантов размещения точек отбора проб почвенных образцов: по равномерной сетке, по линии, по спирали, по случайному полю точек. В данном случае образцы на опорном участке отбирались случайно-систематическим методом — по спирали. Размещением точек отбора по спирали с равномерно нарастающим расстоянием между каждой последующей и центральной точкой был внесен элемент случайности, но при этом сохранена систематичность отбора. Для обеспечения репрезентативности пробоотбора на опорной площадке отбирали по 12 образцов. Площадь спирали, с которой осуществлялся пробоотбор, составляла примерно 314 м2.
Наиболее интенсивные процессы перераспределения радионуклидов проходят на склонах водосбора. Каждый из различных по конфигурации склонов был охарактеризован при помощи серии почвенных разрезов (DV-19 — DV-50), расположенных по катенам, которые закладывались по присущим данному типу рельефа склонам.
На весь водосбор Грачёва лощина (выше створа дамбы) на основании расчетов по модели USLE/ГГИ были построены карты линий тока и зон смыва. С помощью первой карты были проанализированы типы склонов всего водосбора и отмечены координаты для заложения склоновых катен и анализа эрозии почв натурными (почвенно-морфологическим и с помощью радиоактивной метки) методами. Места для заложения разрезов и отбора проб выбирали на основании второй карты — с учетом зон смыва разной интенсивности.
Отбор образцов на 137С8 проводили непосредственно около почвенных разрезов. Отбирали по три интегральных пробы с учетом микрорельефа склона: в пахотной борозде, на пахотном гребне и на ровном участке. Глубина взятия образцов — 30 см.
Пробы для определения содержания 137С8 отбирали с помощью металлической трубы диаметром 82 мм, которую забивали в землю на нужную глубину и вынимали с керном почвы. Это позволило определить
плотность сложения почвы, необходимую для расчетов плотности загрязнения радиоцезием.
Сельскохозяйственное использование почв участка предполагает некоторое нивелирование начальной неравномерности выпадения в связи с агротурбацией. На пахотных и старопахотных угодьях радиоцезий в пахотном слое (глубина 20—25 см) перемешан более-менее равномерно и слабо мигрирует в подпахотный горизонт. По данным, полученным на опытных площадках, к 1999 г. в подпахотный слой перешло не более 10—20% от общего содержания радионуклидов [2]. Таким образом, на участках водораздельных пространств для определения плотности загрязнения почвы 137С8 достаточно отбирать пробы на глубину 30 см.
Отбор образцов для определения содержания 137С8 в пределах аккумулятивной части балки (подножия склонов, днище основной долины и отвершков водосбора) осуществляли из почвенных разрезов послойно с площадок 20x20 см через 3—5 см на глубину проникновения 137С8 (в среднем 70 см), что позволило получить данные для определения темпов аккумуляции наносов для каждой точки отбора и для зоны аккумуляции в целом.
В результате такого комплексного исследования с целью проследить тенденцию изменения содержания техногенного 137С8 в почве были охвачены все элементы рельефа малого водосбора.
Подготовка (просушка, гомогенизация) и гамма-спектрометрический анализ проб почвы проводили в лаборатории Института глобального климата и экологии Росгидромета и РАН, а также в лаборатории кафедры радиоэкологии и экотоксикологии факультета почвоведения МГУ. Активность 137С8 по линии 661,66 к^ в пробах почвы измеряли на гамма-спектрометре фирмы ORTEC с полупроводниковым коаксиальным детектором гамма-излучения из высокочистого германия с разрешением 1,7 к^ по линии 1332 к^.
Результаты
В почвах плоских водораздельных участков (DVR-1 — DVR-4) балки Грачёва лощина концентрация 137С8 в среднем составляет 26,7 Бк/кг (таблица), что соответствует плотности загрязнения почв техногенным цезием чернобыльских выпадений с учетом полураспада. Запасы 137С8 в верхнем 30-сантиметровом слое в пределах опорных площадок составляют в среднем 8,7 кБк/м2. При этом средние величины удельной активности и плотности загрязнения 137С8 почв отдельных опорных участков достаточно близки между собой, что указывает на отсутствие неоднородности первоначальных выпадений изотопа в пределах исследуемого водосбора.
Коэффициент вариации содержания изотопа 137С8 в пределах каждой опорной площадки изменяется в интервале 11—16%. Низкая вариабельность позволяет говорить о достоверности полученных значений средней концентрации 137С8.
Средние значения и характеристики варьирования удельной активности и запасов техногенного 137С8 водораздельных пространств
исследуемой территории
Удельная активность, Бк/кг
п среднее мин. макс. V, % стандартное отклонение
Вся выборка 48 26,73 18,51 33,09 15,85 4,24
DVR-1 12 29,96 20,95 32,96 11,54 3,46
DVR-2 12 23,45 21,08 32,15 16,16 3,79
DVR-3 12 27,75 23,88 33,09 13,26 3,68
DVR-4 12 25,75 18,51 29,86 13,21 3,4
Запасы в толще 0—30 см, Бк/м2
п среднее мин. макс. V, % стандартное отклонение
Вся выборка 48 8699,3 5355,5 11 776,1 18,4 1601,4
DVR-1 12 9532,2 5355,5 11 776,1 22,2 2115,5
DVR-2 12 7572,4 6328,3 10 258,0 16,0 1214,3
DVR-3 12 9102,5 7237,1 11 068,6 13,1 1190,8
DVR-4 12 8590,2 6399,9 10 236,1 13,1 1121,4
Расположение точек пробоотбора в днище основной долины и ее притоков представлено на гипсометрическом профиле (рис. 2, А, Б).
Оценка запасов содержания 137С8 в днище балки указывает на существенное накопление изотопа в этих элементах рельефа по сравнению с опорным значением на водоразделе (рис. 2, В). В точках DV-6 и DV-16 наблюдается сокращение общих запасов 137С8, что говорит о возможном размыве днища отвершка на данных участках.
Распределение 137С8 по профилю почв днища основной долины балки и ее притоков представлено на рис. 3.
Анализ профилей вертикального распределения 137С8 позволяет разделить толщу почв на два участка — накопление до Чернобыля и чернобыльские выпадения.
Общие запасы 137С8 в разрезе DV-1, расположенном в 30—40 м выше плотины, составляют 15,5 кБк/м2. Наибольший запас цезия, имеющий чернобыльское происхождение (более 70%), находится в верхних 20 см почвы. Пик максимальной активности (67,6 Бк/кг) найден в самых верхних 3 см почвы, что указывает на отсутствие существенной аккумуляции наносов после 1986 г. Причина, видимо, заключается в том, что в прудах и водохранилищах максимальные
Высота, м
Длина продольного профиля, м
Высота, м 50 40 30 20 10 0
0 200 400 600 800 1000 Длина продольного профиля, м
Бк/м2 30 000
25 000
20 000
15 000
10 000
5 000
ОУ-1 ОУ-2 ОУ-З ОУ-5 ОУ-6 ОУ-16 ОУ-18
Рис. 2. Схематическое расположение разрезов на основном тальвеге и правом верхнем отвершке (А), главном левом отвершке (Б); запасы 137С8 и опорное значение его выпадений (линия) в днище водосбора (В) (на рис. 2А правильно DV-2 и DV3 вместо DV-3 и DV-4; на рис. 2Б правильно DV-18 и DV-16 вместо DV-16 и DV-18)
А
ОУ-1
Бк/кг
О 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110
Я
о-з
6-9 12-15 18-21 24-27 30-33 36-39 42-45 48-51 54-57 60-65 70-75
О 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110
10 20 30 40 50
70
90 100 110
I Г
2
£
3
1
Ш
0-4 4-8 8-12 12-16 16-20 20-24 24-28 28-32 32-36 36-40 40-44 44-48 48-52 52-56 56-60 60-65 65-70 70-75 75-80
/////////А
О-
1
Т~Г
в
3
Г~т
>///>///'/77;
7777Л
т777
а
3
I I
10 20 30 40 50
0-4 4-8 8-12 12-16 16-20 20-24 24-28 28-32 32-36 36-40 40-50 50-60 60-65 65-70 70-75 75-80
70 80
Бк/кг 90 100 110
У//////
7И1
ут
га
тгл
ОУ-6
0-4 4-8 8-12 12-16 16-20 20-24 24-28 28-32 32-36 36-40 40-50 50-60 60-65 65-70 70-75 75-80
О 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110
У//////\///Х///)///)//А//////}///)///)л
у//////////
нт~
7777
У/////А
В
0 10 20 30 40 50 60
У/)///У///\//)//72.
70
90 100 110
0^ 4-8 8-12 12-16 16-20 20-24 24-28 28-32 32-36 36-40 40-50 50-60 60-65 65-70 70-75 75-80
'//////////////Л
/////Л
II
ОУ-18
о
0-4 4-8 8-12 12-16 16-20 20-24 24-28 28-32 32-36 36-40 40-50 50-60 60-65 65-70 70-75 75-80
10 20 30 40 50
70 80 90 100
'///////////////////////////////////А
2
хЗ
'//////////77777-,
эо
у///////
и
7777
'////////Л
У///Л
у77~/
7777
Рис. 3. Вертикальное распределение удельной активности 137С8 в зонах аккумуляции водосбора: А — центральная часть днища;
Б — днище правого верхнего отвершка; В — днище левого отвершка
темпы отложения наносов наблюдаются в головной части участка подпора, тогда как в приплотинной части они минимальны. Также наблюдаются хорошо различимые пики активности на глубине 36 и 56 см (соответственно 19,8 и 11,1 Бк/кг), которые маркируют периоды с максимальным поступлением 13^ глобального происхождения, соответствующие 1958-1959 и 1963-1964 гг.
Разрезы DV-2 и DV-3 находятся в центральной части днища долины водосбора Грачёва лощина. Удельный запас радиоцезия в верхних 70 см разр. DV-2 составляет 26,6 кБк/м2, DV-3 — 27,7 Бк/м2. В целом профильные кривые распределения очень похожи: пики максимальной активности смещены на 24 и 27 см соответственно, а в верхней части профиля наблюдаются пониженные значения удельной активности радиоцезия, что является следствием активно идущих процессов аккумуляции и переотложения почвенного материала, поступившего в днище за счет смыва почвы с распахиваемых склонов. Соответственно с 1986 г. в днище балки отложилось в среднем около 20 см мелкозема.
Резко падает удельная активность 13^ на глубине 48 и 44 см, составляя 1-1,4 Бк/кг, т.е. минимальное значение, зарегистрированное на данном участке. Ниже (разр. DV-2) концентрация несколько изменяется — увеличивается до значения 20,2 Бк/кг на глубине 54 см. В нижней части разреза DV-3 увеличивается удельная активность, однако в целом распределение равномерно, явно выраженных пиков нет.
Запасы 137Cs чернобыльского происхождения в разрезах DV-2 и DV-3 составляют 73 и 70% соответственно. Запасы радиоцезия в данных точках превышают значение, принятое за фоновое, в 2,5-3 раза.
Разрезы DV-5 и DV-6 расположены в днище правого верхнего отвершка, выше железобетонного лотка. Запас радионуклида 13^ в разрезе DV-5, расположенном в нижней части правого отвершка, откуда имел место вынос материала (процессы размыва участка), значительно ниже, чем в разрезах «замкнутого» днища балки, и составляет 5,6 кБк/м2. В разрезе DV-6 запас радионуклида составляет 15,8 кБк/м2 (до глубины 60 см), причем около 64% запасов чернобыльского происхождения сосредоточено в верхних 16 см; пик максимальной активности наблюдается в верхних 3 см и составляет 103,5 Бк/кг. Ниже 20-сантиметровой глубины величина удельной активности практически не
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Атлас радиоактивного загрязнения европейской части России, Белоруссии и Украины / Под ред. Ю.А. Израэля. М., 1998.
2. Ведення сшльського господарства в умовах радюак-тивного забруднення Украши внаслщок авари на Чорно-бильськш АЕС перюд 1999-2002 рр.: Методичт рекомен-даци. Киев, 1998.
3. Израэль Ю.А.., Назаров И.М., Фридман Ш.Д., Квасни-кова Е.В. Радиоактивное загрязнение европейской части СНГ в 1992 году после аварии на Чернобыльской АЭС //
изменяется. На глубине 60 см обнаруживаются лишь следовые количества 13^.
Разрезы DV-16 и DV-18 расположены в днище левого верхнего отвершка. В верхней части первого разреза запас 13^ близок к опорному значению — 8 кБк/м2, что может характеризовать данный участок как относительно стабильный либо с некоторым преобладанием процессов переноса частиц. Удельный запас 13^ в разрезе DV-18 составляет 11,7 кБк/м2. Чернобыльское происхождение имеет более 87% всего отложившегося на данном участке радиоцезия в слое мощностью около 16 см.
В пределах малого водосбора Грачёва лощина за 20 лет, прошедших после чернобыльской аварии, сформировалась достаточно контрастная картина плотности загрязнения почв радиоцезием. В пределах днища водосбора и его отвершков встречаются участки с повышенным по сравнению с опорным значением запаса техногенного радионуклида, что определяет конфигурацию загрязнения как линейную. Основную роль в формировании контрастности и неоднородности плотности загрязнения 13^ водосбора играет перенос и аккумуляция почвенных частиц со склонов водосбора в днище, а также размыв днища отвершков.
Выводы
1. В пределах территории малого водосбора лесостепи Курской обл. удельная активность техногенного 13^ в почвах плоских водораздельных участков в среднем составляет 26,7 ± 1,2 Бк/кг. Коэффициент вариации 13^ колеблется в интервале 11-16%, что указывает на относительно низкую вариабельность его распределения на водораздельном участке.
2. Наиболее значимым фактором перераспределения и изменения конфигурации ареалов загрязнения 13^ в агроландшафтах на современном этапе является латеральный перенос почвенных частиц, содержащих радионуклид, в системе геохимически сопряженных ландшафтов из элювиальных позиций рельефа (водораздельные участки) в транзитно-ак-кумулятивные и аккумулятивные (подножие склона, днище водосбора).
3. В настоящее время в почвах центральной части днища происходит аккумуляция 13^, где наблюдается превышение опорного значения его запасов в 2,5-3 раза.
Методика и некоторые результаты аэрогаммаспектральной съемки европейской части России. СПб., 1994.
4. Квасникова Е.В., Стукин Е.Д., Голосов В.Н. Неравномерность загрязнения цезием-137 территорий, расположенных на большом расстоянии от Чернобыльской АЭС // Метеорология и гидрология. 1999. № 2.
5. Уоллинг Д.Э., Голосов В.Н., Квасникова Е.В., Вандак-стель К. Радиоэкологические проблемы загрязнения почв малых водосборов // Почвоведение. 2000. № 7.
6. Фридман Ш.Д., Квасникова Е.В., Глушко О.В., Голосов В.Н. и др. Миграция цезия-137 в сопряженных геокомплексах Среднерусской возвышенности // Метеорология и гидрология. 1997. № 5.
7. Хомутинин Ю.В., Кашпаров В.А., Жеребровская Е.И. Оптимизация отбора и измерений проб при радиоэкологическом мониторинге. Киев, 2001.
8. Чернобыльская катастрофа. Итоги и проблемы преодоления ее последствий в России. 1986-2001. Рос. нац. докл. М., 2001.
9. ГОСТ 17.4.3.01-83 (Стандарт СЭВ 3847-82). Почвы. Общие требования к отбору проб. Офиц. изд. М., 1984.
Поступила в редакцию 15.03.08
RADIOECOLOGICAL ASPECTS OF SOIL MODERN POLLUTION
IN THE SMALL CULTIVATED CATCHMENT IN THE KURSK REGION
E.N. Shamshurina
Small catchment with total area 1,98 km2 was chosen for detail study. Catchment occupies area with leached and slightly leached chernozem soils formed mostly on loess deposits. Activity of 137Cs in relatively flat interfluve area is near 26,7 ± 1,2 Bk/kg. Within the small catchment «Gracheva loschina» during 20 last years after Chernobyl accident was generated contrast picture of density of pollution by 137Cs.
