CC BY
20
УДК 631.95(470.311)
ЗАКОНОМЕРНОСТИ МИГРАЦИИ 137CS В ЛУГОВЫХ ЭКОСИСТЕМАХ
МОСКОВСКОЙ ОБЛАСТИ И ЭФФЕКТИВНОСТЬ ЗАЩИТНЫХ МЕРОПРИЯТИЙ В УСЛОВИЯХ РАДИОАКТИВНОГО ЗАГРЯЗНЕНИЯ
1С.И. Воронов, д.б.н., 2Н.И. Санжарова, д.б.н. 1 Московский НИИ сельского хозяйства «Немчиновка», e-mail: [email protected] Всероссийский НИИ радиологии и агроэкологии, e-mail: [email protected]
Рассмотрены закономерности поведения искусственных радионуклидов (глобальные и чернобыльские выпадения) в луговых экосистемах Московской области, их миграции по пищевым цепочкам, а также эффективность агротехнических и агрохимических защитных мероприятий в условиях радиоактивного загрязнения. Кратность снижения годового поступления 137Cs в рацион человека за счет потребления продукции животноводства, полученной на лугах после проведения поверхностного и коренного улучшения, составила 1,7 и 3,0 раза, соответственно. Наиболее высокие показатели снижения содержания радионуклида в рационе человека (2,2 при поверхностном и 8,0 раз при коренном) достигнуты при перезалужении болотных лугов с органогенными почвами.
Ключевые слова: радионуклиды, глобальные выпадения, загрязнение, почва, растения, миграция, луговые экосистемы, Московская область.
REGULARITIES OF 137CS MIGRATION IN MOSCOW REGION AT HAYFIELD ECOSYSTEMS AND EFFICIENCY OF PROTECTIVE MEASURES IN CONDITIONS OF RADIOACTIVE POLLUTION
1Dr.Sci. S.I. Voronov, 2Dr.Sci. N.I. Sanzharova
1 Moscow Scientific-Research Institute for Agriculture «Nemchinovka», e-mail: [email protected] 2All-Russian Research Institute of Radiology and Agroecology; e-mail: [email protected]
The regularities of the behavior of artificial radionuclides (global and Chernobyl fallout) in meadow ecosystems of the Moscow Region, their migration along food chains, and the effectiveness of agrotechnical and agro-chemical protective measures in the conditions of radioactive contamination are considered. The multiplicity of the decline in the annual intake of 137Cs into the human diet due to consumption of livestock products obtained in meadows after surface and radical improvement was 1.7 and 3.0 times, respectively. The highest rates of reduction in the radionuclide content in the human diet (2.2 at surface and 8.0 times at root) are achieved when wetland meadows are replanted with organogenic soils.
Keywords: radionuclides, global deposition, pollution, soil, plants, migration, meadow ecosystems, Moscow region.
Луговые экосистемы являются критическими природными системами, определяющими содержание радионуклидов в продукции животноводства, которая вносит существенный вклад в дозу облучения населения в течение длительного времени после глобальных или аварийных радиоактивных выпадений [1-3]. Луговые экосистемы характеризуются значительным разнообразием, что определяет вариабельность в темпах миграции радионуклидов. Наличие дернины обеспечивает в 2-3 раза более высокое поступление радионуклидов в травостой в течение первых лет после выпадений по сравнению с переходом из почвы [4]. Радионуклиды в течение длительного времени аккумулируются в верхнем слое почвы, что обусловливает интенсивность их перехода в травостой, а также поступление в организм животных с почвенными частицами [5]. Луговые экосистемы характеризуются широким разнообразием почвенных условий и видового состава
травостоя, поэтому различия в коэффициентах перехода радионуклидов на лугах различных типов составляют до двух порядков [6, 7]. Применение защитных мероприятий на лугах обладает высокой эффективностью: в максимальных случаях загрязнение травостоя лугов можно снизить до 10-15 раз [8-11]. Значительное влияние на поступление радионуклидов в травостой оказывают условия, в которых формируется луговая экосистема и комплекс факторов, характеризующих тип биоценоза: гидрологический режим луговых ценозов, влияющий на миграцию радионуклидов по профилю почвы и на формирование видового состава травостоя; характеристики почвенного покрова, определяющие скорость процессов сорбции радионуклидов, вертикальной миграции и биологической доступности; продолжительность нахождения 137Сз в почве, что связано со снижением его биологической доступности вследствие процесса «старения» и миграции
радионуклида вниз по профилю почвы [12].
Луговые экосистемы на территории Московской области представлены четырьмя типами: суходольные, пойменные, низинные и болотные луга. Классификация лугов основана на различиях в режиме увлажнения и учитывает также такие факторы, как приуроченность к определенным формам рельефа и вид почвообразующих пород [13, 14].
Суходольные луга расположены на повышенных дренированных равнинах и склонах разной крутизны, сформировавшиеся при периодически промывном, десуктивно-выпотном водном режиме, капиллярная кайма грунтовых вод в этом случае не выходит на поверхность и испаряется не физически, а через отсос влаги корнями растений. Грунтовые воды залегают на значительной глубине. Почвы обычно подзолистые, кислые, с дерниной небольшой мощности. Урожайность этих лугов невысокая, травостой в основном представлен полевицами, овсяницами, щучкой, душистым колоском и мелколистным разнотравьем. Площадь этих луговых экосистем в Московской области составляет 380 тыс. га.
Пойменные луга характерны для почв, периодически затапливающихся на срок до 30 дней. Их формирование обусловлено паводковым водным режимом. Грунтовые воды находятся на глубине 0,5-2,5 м и ниже. Они расположены в поймах рек Москвы, Оки, Яхромы, Дубны и др. Почвы аллювиальные, большей частью плодородные. Растительность отличается разнообразием. Площадь пойменных лугов составляет свыше 23 тыс. га. Пойменные луга имеют большое хозяйственное значение: здесь сосредоточены основные массивы сенокосов и пастбищ.
Низинные луга расположены в плоских, более глубоких понижениях, в долинах рек, у подножия склонов и т.д. Водный режим от умеренного до избыточного; грунтовые воды устойчивые, часто выходят на поверхность и служат источником увлажнения почв, обычно влажных, темноцветных, богатых, с мощной связной дерниной. В травостое преобладают щучка и разнотравье - лютики, манжетка, разные виды осок. Площадь этого типа луговых экосистем в Московской области составляет 51 тыс. га.
Болотные луга расположены в более глубоких понижениях на водоразделах, по окраинам озер, притеррасным частям пойм рек. Водный режим -насыщенный, или периодически насыщенный, с сезонными колебаниями влажности от полной до наименьшей влагоемкости. Грунтовые воды залегают на глубине 0,5-1,5 м и часто выходят на поверхность. Почвы лугово-болотные, торфянистые и торфяные. Растительность представлена различными видами осок, ситников, мхов и крупнолистным разнотравьем. Площадь болотных лугов в Московской области составляет около 47 тыс. га.
Вертикальная миграция 137Cs в почвах природных лугов. Под миграцией радионуклидов в
почве понимают совокупность процессов, приводящих их к перемещению радионуклидов вглубь профиля. Скорость миграции радионуклидов определяется комплексом факторов, среди которых можно выделить свойства радиоактивных выпадений, погодно-климатические условия, физико-географические особенности региона, свойства почв и характер подстилающей поверхности [15]. Необходимость изучения вопросов миграции радионуклидов в почвах определяется двумя факторами: во-первых, распределением радионуклидов в почвенном профиле и размерами накопления в травостое пастбищ и сенокосов и, далее, в продукции животноводства; во-вторых, характер распределения радионуклидов в профиле почв влияет на величину экспозиционной дозы.
На территории Московской области распределение 137С8 по профилю почв изучали в условиях глобальных выпадений и на территории, попавшей в зону загрязнения после аварии на ЧАЭС. Исследования проводили на суходольном лугу с дерново-подзолистой среднесуглинистой почвой в Щелковском районе (глобальные выпадения) и на суходольном лугу на выщелоченном среднесуглини-стом черноземе в южной части Серебряно-Прудского района (чернобыльские выпадения).
Результаты обследования почв Московской области в 1995-1996 гг. показали, что плотность их загрязнения по 137Сз, составляет в среднем - 1,7 кБк/м2, что соответствует флуктуациям глобальных выпадений. Анализ результатов выявил различия в характере распределения 137Сз по профилю почв при различных видах выпадений. На участке, где содержание радионуклидов в почве обусловлено глобальными выпадениями наблюдается относительно равномерное распределение радионуклида по профилю почвы. На суходольном лугу, загрязненном после аварии на ЧАЭС, перемещение 137С8 по профилю почвы происходит достаточно медленно, что обусловлено свойствами почвы и гидрологическим режимом. В 1996 г. (через 10 лет после аварии) основное количество 137Сз (до 75%) фиксируется в верхнем 3-сантиметровом слое. На глубине до 10 см находится 97% от всего запаса радионуклида в почве, что оказывает влияние на переход 137С8 в травостой и обусловливает более высокое загрязнение животноводческой продукции.
Поступление 137Cs в травостой лугов различных типов. Поведение радионуклидов в луговых экосистемах имеет ряд специфических особенностей. Можно выделить 4 группы факторов, определяющих поступление радионуклидов в травостой лугов: тип луговой экосистемы; геоботанический состав травостоя лугов и биологические особенности растений; гидрологический режим луга; агрохимические и агрофизические показатели почв [2, 9]. Одним из ведущих факторов, определяющих
накопление Сз в травостое лугов на минеральных почвах, является механический состав. Самостоятельную группу представляют болотные луга на органогенных почвах (торфяные, торфяно-глеевые и торфяно-болотные). Изучение закономерностей поведения радионуклидов на лугах различных типов на территории Московской области позволило получить данные по коэффициентам перехода (КП)137С8 в травостой и выявить влияние указанных факторов (табл. 1).
Максимальными уровнями накопления 137Сз характеризовалась растительность низинных и болотных лугов на торфяных почвах. Осушение торфяника приводило к снижению КП в травостой болотного луга в 1,9-2,0 раза. Для суходольных, пойменных и низинных лугов на минеральных почвах КП для 137Сз варьировали в пределах от 0,9 до 4,5. Наиболее высокие КП были отмечены у растений, произрастающих на кислых дерново-подзолистых почвах сильно увлажненных лугов - низинных и пойменных, что свидетельствует о влиянии гидрологического режима почвы на биологическую подвижность 137Сз в луговых экосистемах. Меньшими уровнями накопления обладает растительность суходольных лугов, но и для этого типа луга были отмечены различия КП радионуклида. Так, дерново-подзолистые почвы значительно отличались от серой лесной почвы по размерам перехода 137Сз в травостой: разница КП между ними составила 1,34,3 раза. Эти различия обусловлены как варьированием почвенных показателей этих почв (Нг, рН, катионный состав и содержание гумуса), так и разницей в механическом составе. Влияние механического состава почвы на миграцию 137Сз в системе «почва - растения» было преобладающим среди других почвенных показателей. Так, в ряду дерново-подзолистых почв наибольшие уровни накопления радионуклидов в травостое отмечены из легких (супесчаных) почв, а наименьшими - тяжелосуглинистых почв (различия КП установлены до 3 раз).
137
2. Содержание Cs в почве, компонентах рациона и молоке коров
Поступление 137Cs в организм сельскохозяйственных животных и продукцию животноводства.
В обследованных через 10 лет после аварии на ЧАЭС хозяйствах концентрация 137Сз как в компонентах рациона, так и в молоке была значительно ниже, действовавших после аварии на ЧАЭС временно допустимых уровней (ВДУ-96). Наиболее высокое содержание 137С8 обнаружено в почвах совхоза «Южный» (35 Бк/кг), что обусловлено загрязнением территории после аварии на ЧАЭС. Концентрация 137Сз в рационах КРС в других хозяйствах практически не различалась, что, по-видимому, обусловлено близкими характеристиками свойств почв [16]. Доля перехода 137Сз из рациона в молоко различалась для разных хозяйств до 3 раз и составляла в 1995 г. от 0,96 до 1,8%, в 1996 г. - от 0,5 до 1,6% (табл. 2). Минимальные коэффициенты перехода 137Сз в травостой определены для пастбищ на черноземах, а максимальные - на подзолистой болотно-слоистой почве.
Эффективность защитных мероприятий на кормовых угодьях. В условиях радиоактивного заг-
1. КП
137
Сэ в травостой естественных лугов Московской области
Тип почвы Механический КП 137Сэ,
состав (Бк/кг)/(кБк/м2)
Суходольные луга
Церново-подзолистая супесь 4,1
средний суглинок 2,7
тяжелый суглинок 1,2
Пойменные луга
Аллювиально-дерновая средний суглинок 4,5
Аллювиально-болотная тяжелый суглинок 2,9
Низинные луга
Церново-глеевая тяжелый суглинок 4,0
Болотные луга
Торфяно-болотная - 10,1
слоистая
Торфяная низинная - 5,2
осушенная
Район Хозяйство Тип почвы Концентрация Сэ Коэффициенты перехо- Поступ-
да Сэ ление из
рацион / моло- почва / почва / рацион / рациона
корм, (Бк)/(Бк/кг) ко, Бк/кг рацион молоко молоко в 1 л молока, %
Дмитров- АООТ «Дубна» Церново -подзолистая 61,2/1,18 0,92 0,22 0,17 0,78 1,5
ский среднесуглинистая
Совхоз-колледж Низинный торфяник 84,3/1,48 1,3 0,2 0,19 0,88 1,6
«Яхромский»
Можайский АОЗТ «Синичино» Церново-подзолистая тяжелосуглинистая 42,85/0,82 0,64 0,16 0,13 0,78 1,5
Ногинский АО «Чапаевец» Подзолистая болотно-слоистая 58,0/1,1 0,70 0,36 0,2 0,64 1,2
Каширский АОЗТ «Каширский» Пойменная 68,6/0,89 0,31 0,15 0,05 0,35 0,5
Серебряно- АОЗТ «Южный» Чернозем оподзоленный 57,36/1,09 0,52 0,03 0,01 0,48 0,52
Прудский тяжелосуглинистый
137
3. Снижение поступления Сз в рацион человека при использовании лугов __без контрмер _ и после их ^ проведения__
Тип почвы Продукция Способ улучшения КП 137Сэ, кБк/м2 Поступление, Бк/год Кратность снижения
Суходольные луга
Церново- подзолистая супесчаная Молоко Контроль 4,1 1,64 147,2 -
Поверхностное 2,4 - 86,6 1,7
Коренное 1,4 - 49,1 3,0
Мясо Контроль 4,1 - 117,2 -
Поверхностное 2,4 - 68,9 1,7
Коренное 1,4 - 39,1 3,0
Церново-подзолистая среднесуг-линистая Молоко Контроль 2,7 1,16 69,2 -
Поверхностное 1,8 - 46,1 1,5
Коренное 1,0 - 26,6 2,6
Мясо Контроль 2,7 - 55,1 -
Поверхностное 1,8 - 36,7 1,5
Коренное 1,0 - 21,2 2,6
Церново-подзолистая тяжелосуглинистая Молоко Контроль 1,2 0,75 20,2 -
Поверхностное 1,0 - 16,9 1,2
Коренное 0,6 - 9,6 2,1
Мясо Контроль 1,2 - 16,1 -
Поверхностное 1,0 - 13,4 1,2
Коренное 0,6 - 7,7 2,1
Серая лесная среднесуг- линистая Молоко Контроль 0,9 0,96 19,9 -
Поверхностное 0,7 - 15,3 1,3
Коренное 0,5 - 10,5 1,9
Мясо Контроль 0,9 - 15,9 -
Поверхностное 0,7 - 12,2 1,3
Коренное 0,5 - 8,4 1,9
Пойменные луга
Аллювиаль-но-дерновая среднесуг-линистая Молоко Контроль 4,5 1,69 166,2 -
Поверхностное 2,5 - 92,5 1,8
Мясо Контроль 4,5 - 132,7 -
Поверхностное 2,5 - 73,7 1,8
Аллювиаль-но-болотная тяжелосуглинистая Молоко Контроль 2,9 1,42 91,0 -
Поверхностное 0,9 - 26,0 3,5
Мясо Контроль 2,9 - 72,5 -
Поверхностное 0,9 - 22,0 3,3
Низинные луга
Церново-глеевая тяжелосуглинистая Молоко Контроль 4,0 2,78 242,7 -
Поверхностное 2,1 - 127,7 1,9
Коренное 1,2 - 73,5 3,3
Мясо Контроль 4,0 - 193,3 -
Поверхностное 2,1 - 101,7 1,9
Коренное 1,2 - 58,6 3,3
Болотные луга
Торфяно-болотная слоистая Молоко Контроль 10,1 1,25 277,6 -
Поверхностное 4,6 - 126,2 2,2
Коренное 1,3 - 34,7 8,0
Мясо Контроль 10,1 - 221,1 -
Поверхностное 4,6 - 100,5 2,2
Коренное 1,3 - 27,6 8,0
Торфяная низинная осушенная Молоко Контроль 5,2 0,72 81,9 -
Поверхностное 2,3 - 37,2 2,2
Коренное 0,6 - 10,2 8,0
Мясо Контроль 5,2 - 65,3 -
Поверхностное 2,3 - 29,7 2,2
Коренное 0,6 - 8,2 8,0
рязнения территории организация кормовой базы продукции животноводства, соответствующей сани-является наиболее важным звеном в производстве тарно-гигиеническим нормативам. Существует две
группы агротехнических приемов, традиционно проводимых на кормовых угодьях - это поверхностное и коренное улучшение сенокосов и пастбищ. Проведение этих мероприятий эффективно также с точки зрения снижения накопления радионуклидов в травостое. После аварии на ЧАЭС поверхностное улучшение лугов с внесением известковых и фос-форно-калийных удобрений, а также подсевом многолетних трав снижало накопление 137Сз растительностью в 1,5-4 раза [8, 9, 19]. Кратность снижения в зависимости от типа почв и времени, прошедшего с момента загрязнения луга, для 137Сз составляла 3-10 раз, а на торфянистых почвах - 13,4-16,5 раз [10, 11]. Известкование снижало переход 137Сз в растительность лугов и пастбищ в 1,5-4,0 раза. Выбор защитных агрохимических мероприятий по снижению вовлечения 137Сз в биологический круговорот из почвы на территории Московской области был определен результатами многолетних опытов, выполненных в регионе аварии на Чернобыльской АЭС. К ним относятся: агротехническая обработка дернины и почвы; подбор видов трав с минимальными размерами накопления радионуклидов; внесение удобрений и агромелиорантов [8]. Для перезалужения лугов применяли поверхностный и коренной способ.
На основании полученных КП 137Сз в травостой лугов различных типов для вариантов с применением защитных мероприятий и без них было рассчитано годовое поступление радионуклида с продуктами животноводства (мясо, молоко) в рацион местного населения. Поступление 137Сз с животноводческой продукцией, производимой на лугах с постоянным переувлажнением (низинные, пойменные и болотные), были в 1,5-14 раз выше, чем для суходольных лугов, что связано с высокими уровнями накопления радионуклида в травостое этой группы луговых экосистем (табл. 3).
Таким образом, применение агротехнических мероприятий существенно снижает поступление радионуклида в растительность лугов и далее в продукцию животноводства. Кратность снижения годового поступления 137Cs в рацион человека за счет потребления продукции животноводства, полученной на лугах после проведения поверхностного и коренного улучшения, составила 1,7 и 3,0 раза. Наиболее высокие показатели снижения содержания радионуклида в рационе человека (2,2 при поверхностном и 8,0 раз при коренном) достигнуты при перезалуже-нии болотных лугов с органогенными почвами.
Литература
1. Марей А.Н., Бархударов Р.М., Новикова Н.Я. Глобальные выпадения цезия-137 и человек. - М.: Атомиздат, 1974. - 168 с.
2. Фирсакова С.К. Луговые биогеоценозы как критические радиоэкологические системы и принципы ведения луговодства в условиях радиоактивного загрязнения (на примере Белорусского полесья после аварии на Чернобыльской АЭС): дисс. д.б.н. - Обнинск, 1992. - 54 с.
3. Фесенко С.В., Алексахин Р.М., Санжарова Н.И., Спиридонов С.И. Закономерности изменения содержания 137Cs в продукции животноводства на территории Российской Федерации, подвергшейся загрязнению в результате аварии на Чернобыльской АЭС // Радиационная биология. Радиоэкология, 1995, Т. 35, Вып. 3. - С. 316-327.
4. Фирсакова С.К., Гребенщикова Н.В. Поглощение 90Sr и 137Cs луговыми растениями из дернины // Доклады ВАСХ-НИЛ, 1980, № 3. - С. 19-20.
5. Санжарова Н.И., Котик В.А., Архипов А.Н., Соколик Г.А., Иванов Ю.А., Фесенко С.В., Левчук С.Е. Количественные параметры вертикальной миграции радионуклидов в почвах на лугах различных типов // Радиационная биология. Радиоэкология, 1996, Т. 36, Вып. 4. - С. 488-497.
6. Корнеев Н.А., Фирсакова С.К., Малышева М.Р. Поступление стронция-90 в луговые травы из почв различных типов Нечерноземной зоны // Почвоведение, 1975, № 11. - С. 53-59.
7. Sanzharova N.I., Belli M., Arkhipov A.N., Ivanova T.G., Fesenko S.V., Perepelyatnikov G.P., Tsvetnova O. Radionuclide transfer to meadow plants. The radiological consequences of the Chernobyl accident. Proceedings of the first international conference. Minsk, Belarus, 18-22 March, 1996. - PP. 507-510.
8. Корнеев Н.А., Сироткин А.Н., Корнеева Н.В. Снижение радиоактивности в растениях и продуктах животноводства. -М.: Колос, 1977. - 208 с.
9. Перепелятников Г.П., Омельяненко Л.В., Перепелятникова Л.В. Некоторые вопросы технологии кормопроизводства в условиях радиоактивного загрязнения. Сб. научных трудов: Проблемы сельскохозяйственной радиологии. Под ред. Н.А. Лошилова, Киев, 1993. - С. 115-125.
10. Sanzharova N.I., Fesenko S.V., Kotik V.A., Spiridonov S.I. Behavior of radionuclides in meadows and efficiency of coun-termeasures // Radiation Protection Dosimetry, 1996, V. 64. № V. - PP. 43-48.
11. Vidal M., Camps M., Grebenshikova N., Sanzharova N., Ivanov Y., Rigal A., Firsakova S., Fesenko s., Levchuk S., Sauras T., Podolyak A.G., Rauret G. Effectiveness of Agricultural practices in decreasing radionuclide transfer to plants in natural meadow // Radiation Protection Dosimetry, 2000, V. 92, № 1-3. - PP. 65-70.
12. Санжарова Н.И., Котик В.А. Некоторые подходы к радиоэкологической классификации лугов / 11 Обнинский симпозиум по радиоэкологии. - Обнинск, 1996. - С. 163-165.
13. Андреев Н.Г. Луговодство. Учебник. - М.: Колос, 1981. - 383 с.
14. Анненская Г.Н., Жучкова В.К., Калинина В.Р. и др. Ландшафты Московской области и их современное состояние (под ред. И.И. Мамай). - Смоленск: СГУ, 1997. - 296 с.
15. Прохоров В.М. Миграция радиоактивных загрязнений в почвах. Физико-химические механизмы и моделирование. Под ред. Р.М. Алексахина. - М., Энергоатомиздат, 1981. - 98 с.
16. Соколова E.A., Воронов С.И., Исамов Н.Н. (мл.), Санжарова Н.И. Поступление 137Cs в продукцию животноводства, производимую в Московской области // Вестник РАСХН, 1999, № 4. - С. 64-66.
