CC BY
38
Радиоиндикация современной агрогенной трансформации почвенного покрова Калужской области
Н.К. Сюняев, к.б.н., В.В. Кокорева, к.б.н., М.В. Тютюнь-кова, к.б.н., Калужский филиал РГАУ-МСХА им. КА. Тимирязева; А.В. Филиппова, д.б.н., Оренбургский ГАУ
Сельскохозяйственное использование земли значительно усиливает естественную экзогенную трансформацию почвенного покрова любой территории, прежде всего за счёт снятия верхнего органогенного защитного слоя, что многократно ускоряет транспортные потоки различных эрозионных процессов как в горизонтальном, так и вертикальном направлениях. На территории Калужской области почвенная эрозия нередко носит угрожающий характер, поэтому актуальным является поиск методов оценки её масштабов в целях разработки современных почвозащитных технологий возделывания сельскохозяйственных культур. Эти проблемы особенно актуальны для радиоактивно загрязнённых территорий Калужской области во избежание расползания долгоживущих радионуклидов чернобыльского следа в соседние «чистые» районы [1, 2, 3].
В работе В.Р. Беляева и др. исследователей [4] достаточно полно раскрыты прямые и косвенные методы оценки трансформации почвенного покрова, указаны их недостатки и предложена методика радиоцезиевой (Cs-137) оценки совре-
менной агрогенной трансформации почвенного покрова с использованием двух калибровочных математических моделей.
Цель наших исследований — обоснование возможности использования радиоцезия чернобыльского следа в качестве радиоиндикатора при оценке масштабов эрозии почв радиоактивно загрязнённых территорий Калужской области и верификация современных математических моделей.
В основу методов исследований положены две современные математические модели: пропорциональная и масс-балансовая. Пропорциональная модель ввиду простоты использования широко применяется при изучении скоростей перераспределения почвы. Модель основана на предположении, что весь запас изотопа 137Сб распределён равномерно по всему пахотному горизонту, а изменение массы почвы прямо пропорционально изменению количества изотопа, произошедшему в результате эрозии или аккумуляции почвенных частиц. Формула расчёта может быть представлена в виде:
±У = ЮМ — , (1)
£
где У — ежегодное изменение массы почвы (отрицательное значение подразумевает эро-
зию, положительное — аккумуляцию), т/га в год;
к — мощность пахотного горизонта, м; d — плотность почвы, кг/м3;
I — количество лет с начала выпадения цезия до времени отбора проб;
Да — относительное изменение удельного запаса цезия в исследуемой точке, определяемое по формуле:
Ла = Оп^, а СП
(2)
где а — измеренный удельный запас цезия в исследуемой точке, Бк/м2; аоп — опорное значение запаса цезия на эталонном участке, Бк/м2.
Простая масс-балансовая модель учитывает изменение содержания цезия как в результате эрозии или аккумуляции, так и подпашки под-плужного горизонта. На некотором участке со средним слоем эрозии R (м/м2 в год) запас цезия А (Бк/кг) будет представлять собой функцию от времени 1 (г), которую можно записать в виде:
/ у \ *-1986
а(*) = аоп 1 - у • (3)
V П;
Вследствие этого, потеря почвы с исследуемого участка может быть выражена формулой:
С Ч--1986
а
У = 10hd [1 -
Vа СП у
].
(4)
Зная изменение во времени концентрации 137С8 в наносах ан(0 (Бк/кг), для участка аккумуляции среднюю скорость накопления осадков У (кг/м2 в год) можно рассчитать по формуле:
а(*) -а оп
оп (5)
У' =
где X — константа радиоактивного распада для изотопа (год-1);
ан (I') — активность изотопа в наносах в год I' (Бк/кг), которая может быть рассчитана как взвешенное среднее концентраций изотопа на участке склона, поставляющем наносы для данной точки; dt — дифференциал времени.
В строгом соответствии с методическими подходами нами был выбран ключевой участок на водосборе р. Сорочки у д. Уколицы (рис. 1) и эталонный участок на субгоризонтальной приводораздельной поверхности в лесном массиве.
На эталонном и ключевом участках отбирали почвенные пробы до глубины 30 см и закладывали разрезы с послойным отбором образцов до глубины 42 см (12 образцов).
Полевые измерения удельной активности почвы проводили переносным прибором РКГ— 09Н «Корад», лабораторные гамма-спектрометрические анализы проб почвы — в сертифи-
Рис. 1 - Схема ключевого объекта у р. Сорочки
КСП «Лесные поляны» Ульяновского района
цированной лаборатории Калужского центра «Агрохимрадиология».
На рисунке 2 показано распределение радиоцезия по глубине почвенного профиля на эталонном участке. Наблюдается характерное для 137Сб значительное уменьшение его концентрации вниз по профилю почвы. Такое распределение радионуклида объяснимо малой скоростью диффузии почвенных частиц и незначительной миграцией по профилю почв лесных экосистем, защищённых от эрозии.
При общем запасе 137С8 в почве 101,2 кБк/м2 более 80% его содержится в верхних 10 см почвы и лишь незначительная часть — в слое 20—30 см. Следовательно, вертикальная миграция изотопа по почвенному профилю эталонного участка незначительна, что вполне позволяет использовать его для сравнения содержания радиоцезия в соответствующих слоях ключевых разрезов почв, затронутых эрозионными процессами.
Рис. 2 - Эпюра вертикального распределения концентрации изотопа 137Сб (Бк/кг) в опорном разрезе
Рис. 3 - Усреднённая блок-диаграмма интенсивностей эрозионно-аккумулятивных процессов (т/га в год) на ключевом участке, рассчитанных на основе оценки изменения содержания изотопа 137Сб в почве разными методами по пропорциональной и масс-балансовой моделям
Анализ интенсивностей эрозионно-аккумулятивных процессов на ключевом объекте (рис. 3) указывает на значительную пространственную неоднородность загрязнения почвы изотопом 137Сб. Причём верхнюю и среднюю части склона занимают зоны с пониженным его содержанием, соответствующие смытым эродированным почвам. Аккумуляция наносов наблюдается в нижней части склона.
Результаты полевых и лабораторных измерений содержания в почве радиоцезия были использованы в калибровочных моделях для
расчёта темпов смыва и намыва. По результатам характеристики процессов эрозии и аккумуляции почвы агроэкосистемы КСП «Лесные поляны» установлены показатели: модуль смыва в пределах 6,8—9,1 т/га в год, модуль намыва в пределах 4,5—6,3 т/га в год, средний слой смыва в пределах 8,2—10,9 мм, средний слой намыва в пределах 5,4—7,6 мм и средняя интенсивность выноса почвы за пределы пашни в рамках 2,4—2,8 т/га в год (табл. 1).
Полученные результаты позволяют сделать заключение о возможности использования метода радиоиндикации при оценке масштабов эрозионных потерь почвенного покрова радиоактивно загрязнённых территорий Калужской области на основе пропорциональной и масс-балансовой калибровочных моделей. Более точной при этом является масс-балансовая модель с использованием результатов как полевых, так и лабораторных измерений.
Литература
1. Алексахин Р.М. Проблемы радиоэкологии: Эволюция идей. Итоги. М.: Россельхозакадемия - ГНУ ВНИИСХРАЭ, 2006. 880 с.
2. Глазовская М.А. Денудационно-аккумулятивные структуры почвенного покрова, как формы проявления педолитогенеза // Почвоведение. 2000. №2. С. 134-147.
3. Булыгин С.Ю., Бреус Н.М., Семиноженко Г.А. К методике определения степени эродированности почв на склонах // Почвоведение. 1998. №6. С. 714-718.
4. Беляев В.Г., Маркелов М.В., Голосов В.Н. и др. Использование 137Cs для оценки современной агроген-ной трансформации почвенного покрова в районах чернобыльского загрязнения // Почвоведение. 2003. №7. С. 876-891.
1. Характеристика процессов эрозии и аккумуляции почвы на ключевых объектах КСП «Лесные поляны» Ульяновского района Калужской области за период 1986—2004 гг.
Вид измерений запаса 137Cs Характеристики эрозионно-аккумулятивных процессов за период 1986-2004 гг
Клю- чевой объект Вид калибровочной модели модуль смыва почвы модуль намыва почвы средний слой смыва средний слой намыва средняя интенсивность выноса почвы вынос почвы за пределы пашни, т
т/га в год мм за пределы пашни, т/га
1 Полевое Пропорциональная Масс-балансовая 7,4 9,1 5.3 6.3 8.9 10.9 6,4 7,6 2,1 2,8 37,8 50,4
1 Лабора- Пропорциональная 6,8 4,5 8,2 5,4 2,4 43,2
торное Масс-балансовая 8,7 5,5 10,4 6,6 3,2 57,6
