Содержание радионуклидов в почвах и растениях 30-километровой зоны влияния Волгодонской АЭС

УДК 631.416.8

СОДЕРЖАНИЕ РАДИОНУКЛИДОВ В ПОЧВАХ И РАСТЕНИЯХ 30-КИЛОМЕТРОВОЙ ЗОНЫ ВЛИЯНИЯ ВОЛГОДОНСКОЙ АЭС

© 2007 г. Е.В. Кандашова, А.Н. Пронин, В.С. Крыщенко, О.А. Бирюкова, Т.И. Абрамова

Regularities of translocation, accumulation and migration of natural and artificial radioactive elements in soil and plant covers in the territory of possible radioactive contamination were established.

После пуска Волгодонской атомной электростанции возникла необходимость радиационно-экологи-ческого мониторинга, поэтому исследование особенностей почвенного и растительного покрова 30-километровой зоны влияния АЭС является его неотъемлемой составляющей.

Цель данной работы - выявление закономерностей поступления, накопления и миграции радионуклидов естественного и искусственного происхождения в почвенном и растительном покрове территории вероятного радиоактивного загрязнения.

Для оценки и контроля радиоактивного загрязнения почв и продуктов растениеводства по технологии организации наземного мониторинга было проведено разделение исследуемой территории на почвенно-ландшафтные районы, внутри которых выделены полигоны мониторинга (или контрольные участки -КУ). Одним из обязательных требований к закладке контрольных участков являлась длительность их со-

хранности с расчетом на 30 и более лет [1]. Помимо природно-ландшафтного районирования, методика включает в себя полевые исследования. В период полевых работ (июнь) на контрольных участках проводился отбор растительных образцов и почвенных проб (по отдельным слоям 0-5, 5-10 см до глубины значимого проникновения радионуклидов). Многолетние исследования ведутся на 5 постоянных полигонах.

Контрольный участок № 3: представлен темно -каштановой солонцеватой тяжелосуглинистой почвой на лессовидных суглинках - старая зацелинившаяся залежь с характерной степной растительностью в 15 км на юго-восток от АЭС. В настоящий период растительное сообщество представляет собой участок типчаково-полынковой степи на бывшей пашне с характерными признаками истощенных почв, на состоянии и продуктивности которого сильно сказывается существование в режиме перевыпаса, однако

этот уровень эксплуатации обеспечивает сохранность существующего характера и состояния растительного покрова, преобладают следующие виды растений: Fеstuca rupicola Heuff., Artemisia austriaca Jacg., Ely-trigia repens (L.) Nevski. и др.

Контрольный участок № 12: луговато-каштановая тяжелосуглинистая на лессовидных суглинках - тип-чаково-полынковая степь в 4 км на юг от Волгодонской АЭС. В настоящий момент используется под выпас, о чём свидетельствует высокое обилие мятлика луковичного и ряда сорняков.

Контрольный участок № 75а: каштановая солонцеватая тяжелосуглинистая почва на лессовидных суглинках, расположен в 10 км на юго-запад от АЭС, залежь. Участок сильно подвержен антропогенной нагрузке, но некоторые степные виды сохранились. Кроме доминантных видов, значительную роль играют Salvia tesguicola, Eryngium campestre, Euphorbia sequierana.

Контрольный участок № 201: аллювиально-луговая легкосуглинистая почва на аллювиальных погребенных отложениях - луговое сообщество в пойме р. Дон, расположено в 3 км на юго-восток от Волгодонской АЭС. Типично луговой участок, характерным признаком которого является преобладание в покрове мезо-фитных луговых видов, и на характере почв которого сильно сказывается длительное существование в режиме периодического затопления. Хорошую сохранность сообщества и близость его к естественным аналогам обеспечивает сравнительно низкий уровень эксплуатации (выпаса) и других нарушений. Сообщество представлено следующими видами растений: Galium

verum L., Medicago falcata L., Melampyrum arvense L., Artemisia dracunculus L., Plantago major L.

Контрольный участок № 208: каштановая солонцеватая тяжелосуглинистая на желто-бурых суглинках - типчаково-полынковая степь в 30 км на северо-восток от Волгодонской АЭС. Целинная степь, подвергающаяся выпасу скота, но самая богатая видами: Festuca rupicola Heuff., Artemisia austriaca Jacg., Artemisia lerchiana Web. ex Stechm., Tanacetum millefolium (L.) Tzvel. и др.

Химический состав почв представлен в табл. 1.

Миграция радионуклидов по профилю почвы зависит от ее свойств, а также происходит благодаря перемещению почвенных частиц, в состав которых они входят, и за счет движения почвенной влаги, содержащей растворенные и коллоидные их формы. Движение частиц обусловлено просыпанием по порам, трещинам или полостям в почве и ее перемешиванием, связанным с жизнедеятельностью растений и почвенных организмов [2].

Анализ изменения содержания радионуклидов (РН) естественного происхождения вглубь почвы показал, что 234Th в темно-каштановой почве (КУ № 3) увеличивается, а на луговато-каштановой и аллювиально-луговой почвах (КУ № 12 и 201) -уменьшается.

В распределении 40K на луговато-каштановой почве (КУ № 12) отмечаются максимумы в слоях 5-10 и 15-20 см (728 Бк/кг) и аллювиально-луговой (КУ № 201) - 0-5 и 10-15 см (522 и 482 Бк/кг). Остальные РН (238U, 226 Ra, 224Ra, 232Th) распределены относительно равномерно (табл. 2).

Таблица 1

№ Полевое Глубина, Гумус по Содержание Р2О5, К2О, Обменный Са, Обменный рН водной

КУ определение почвы см Тюрину, общего мг/100 г мг/100 г мг/100 г поч- Mg, мг/100 г вытяжки

% азота, % почвы почвы вы почвы

Темно-каштановая 0-5 3,28 0,12 3,88 28 16,3 15,7 8,3

3 солонцеватая 5-10 3,06 0,11 3,52 28 16,9 14,9 8,1

тяжелосуглинистая

на лессовидных 10-15 2,01 0,12 3,43 27 17,1 15,0 7,9

суглинках 15-20 1,66 0,07 3,22 25 17,0 13,3 7,9

Луговато-каштановая 0-5 3,60 0,14 3,88 34 6,4 24,3 7,8

12 тяжелосуглинистая 5-10 3,80 0,12 3,13 31 6,2 25,0 7,8

на лессовидных

суглинках 10-15 2,45 0,10 3,37 33 8,3 24,8 7,8

15 -20 2,05 0,11 3,60 29 8,0 26,7 7,5

Каштановая 0-5 3,10 0,21 3,82 31 15,0 13,3 7,9

75а солонцеватая 5-10 2,52 0,18 3,78 29 14,9 12,9 7,9

тяжелосуглинистая

на лессовидных 10-15 2,10 0,09 3,12 25 17,6 12,7 7,8

суглинках 15 -20 1,22 0,04 2,62 25 18,3 13,3 7,9

Аллювиально-луговая 0-5 1,40 0,04 1,87 16 18,2 5,1 8,4

легкосуглинистая 5-10 1,22 0,03 1,62 18 18,2 10,9 8,5

201 на аллювиальных

погребенных 10-15 1,35 0,03 1,18 14 19,5 9,7 8,5

отложениях 15 -20 1,28 0,01 1,23 13 21,5 21,1 8,5

Каштановая 0-5 3,50 0,14 3,55 25 10,0 16,7 7,5

208 солонцеватая тяжело- 5-10 3,40 0,16 3,02 23 10,9 16,9 7,5

суглинистая

на желто-бурых 10-15 2,10 0,10 2,83 23 14,8 20,8 7,7

суглинках 15 -20 1,22 0,08 2,52 18 16,5 21,6 8,9

Химическии состав почв 30-километровои зоны Волгодонской АЭС

При возникновении внештатных ситуаций на Волгодонской АЭС основным дозообразующим элементом будет являться 137 Сs, поэтому выявление особенностей его аккумуляции и распределения в различных почвах 30-километровой зоны особенно важно.

Результаты наших исследований свидетельствуют, что плотность загрязнения почв по 137Сs варьирует от 0,2 до 49,7 Бк/кг почвы. Максимальные показатели отмечаются на каштановых почвах: КУ № 75 (49,7 Бк/кг) и 208 (42,9 Бк/кг); минимальные - на ал-лювиально-луговых - КУ № 201 (9,6 Бк/кг). Изучение вертикального распределения радионуклида в почвенных профилях показало, что наибольшее его количество сосредоточено в верхнем гумусовом горизонте на глубине 0-5 (10) см, и не отмечается ярко выраженных горизонтов аккумуляции. С глубиной концентрация 137Cs уменьшается в 10 раз и на глубине 20 см составляет уже около 2,0 БК/кг на каштановых почвах (КУ № 3, 12, 208, 75) и в 3 раза меньше на ал-лювиально-луговой (КУ № 201).

Среди ИРН, содержащихся в сбросах и выбросах предприятий ядерного топливного цикла (ЯТЦ) и в объектах экосферы из-за ядерных взрывов в военных (глобального распространения) и мирных целях, наибольшую опасность представляет 241Am. Некоторые исследователи предлагают называть его наряду с 240Pu индикатором радиоактивного загрязнения. Данный РН был обнаружен в луговато-каштановой почве (КУ № 12) (табл. 2). Этот радионуклид хорошо адсорбируется в почвах, особенно в почвах с высоким содержанием гумуса, глинистых и суглинистых почвах и слабо адсорбируется в песчаных [3].

В одинаковых почвенно-климатических условиях растения различаются по накоплению РН. Установлено, что между растениями одного пастбища, произрастающими в одинаковых условиях, существуют определенные различия в транспорте веществ [4].

В табл. 3 растения по поглощению ЕРН расположены в следующие ряды:

КУ № 3: Artemisia austriaca (полынь) > Festuca ru-picola (типчак) > Salvia tesquicola (шалфей) > Centaurea diffusa (верблюдка);

КУ № 75: Artemisia austriaca (полынь) > Festuca ru-picola (типчак) > Salvia tesquicola (шалфей);

КУ № 208: Erungium campestre (синеголовник) > > Artemisia austriaca (полынь) > Kochia prostrata (кохия) > Tanacetum millefolium (ромашник) > Festuca rupicola (типчак);

КУ № 12: Achillea setacea (тысячелистник) > Salvia tesquicola (шалфей) > Artemisia austriaca (полынь);

КУ № 201: Melampyrum arvense (марьянник), Ga-lium verum (подмаренник) > Ulmus pumila (вяз), Popu-lus nigra (тополь), Medicado falcata (люцерна) > Gly-cyrrhiza glabra (солодка).

Интенсивность поступления радионуклидов зависит от биологических особенностей растений. Полученные данные о накоплении ИРН (137Cs) в наземной части растений свидетельствуют, что разные растения избирательно поглощают данный нуклид - Centaurea diffusa (верблюдка) (КУ № 3) - 12 Бк/кг (на сухой остаток) и Ulmus pumila (вяз) (КУ № 201) - 18 Бк/кг (на сухой остаток). В остальных растениях значения были ниже предела определения. Как было отмечено выше, большую опасность представляет РН 241Am, который

Таблица 2

Содержание некоторых радионуклидов в почвах 30-километровой зоны Волгодонской АЭС в 2002 г.

№ Полевое определение Глубина, Удельная активность, Бк/кг почвы

КУ почвы см 234Th 238U 226 Ra 224Ra 232Th 40K 137Cs 241Am

Темно-каштановая 0-5 98,9 38,8 31,0 46,8 38,5 684,8 19,2 -

3 солонцеватая тяжело- 5-10 127,1 38,9 34,5 41,1 44,5 666,1 6,1 -

суглинистая на лессо- 10-15 170,9 51,1 35,1 45,2 44,9 603,9 3,8

видных суглинках

15-20 189,4 44,1 34,5 46,8 44,6 656,9 0,2 -

Луговато-каштановая 0-5 345,2 32,9 46,1 42,8 44,0 427,1 7,8 2,5

12 тяжелосуглинистая 5-10 282,9 30,4 61,2 49,8 51,2 727,5 6,9 -

на лессовидных 10-15 266,9 32,3 52,7 47,7 50,0 473,4 2,6 -

суглинках 15-20 259,2 33,9 72,7 61,8 53,7 728,2 1,3 1,9

Каштановая солонце- 0-5 121,0 58,1 27,3 41,9 36,4 688,9 49,7 -

75 ватая тяжелосуглини- 5-10 115,6 36,4 29,9 41,5 43,6 694,3 15,3 -

стая на лессовидных

10-15 97,3 32,9 29,6 45,9 40,3 654,0 6,2 -

суглинках

15-20 128,2 44,1 30,0 49,1 39,7 698,4 0,9 -

На аллювиальных 0-5 100,8 63,5 22,9 20,7 25,1 522,1 9,6 -

погребенных 5-10 95,8 36,3 20,8 22,6 21,6 387,7 13,9 -

201 отложениях 10-15 61,8 16,3 23,7 23,3 21,9 482,6 12,0 -

15-20 74,6 17,5 25,0 23,9 21,6 430,2 2,7 -

Каштановая солон- 0-5 89,8 50,2 30,0 38,0 32,5 637,7 42,9 -

208 цеватая тяжелосуг- 5-10 145,7 27,5 28,5 38,0 35,3 612,1 11,4 -

линистая на желто-

бурых отложениях 10-15 93,0 38,6 26,9 43,2 37,8 708,0 2,5 -

15-20 108,8 36,3 25,1 39,2 36,0 663,0 5,8 -

Таблица 3

Содержание некоторых радионуклидов в растениях в2003 г.

№ КУ Название растения Масса, г Удельная активность, Бк/кг

234Th 238U 226 Ra 224Ra 232Th 40K 137Cs 241Am

3 Artemisia austriaca (полынь) 0,70 10362 15944 499 594 526 5620 -* -

Centaurea diffusa (верблюдка) 4,50 2006 2704 70 38 117 4446 12 -

Festuca rupicola (типчак) 1,95 4565 5852 253 - - 5734 - 77

Salvia tesquicola (шалфей) 2,80 3270 3842 131 71 138 6059 - 27

12 Salvia tesquicola (шалфей) 2,25 3600 4473 204 141 114 6058 - 12

Achillea setacea (тысячелистник) 1,20 6281 9010 215 273 258 6262 - 55

Artemisia austriaca (полынь) 4,00 1975 2775 82 161 44 4836 - 14

75 Salvia tesquicola (шалфей) 4,90 1513 2139 112 - - 4342 - -

Artemisia austriaca (полынь) 1,85 4937 5230 298 - - 4340 - -

Festuca rupicola (типчак) 2,50 2976 4473 200 - - 2985 - -

201 Glycyrrhiza glabra (солодка) 3,20 2440 3238 154 - - 2855 - 12

Melampyrum arvense (марьянник) 1,15 6335 9478 365 170 390 4771 - 60

Galium verum (подмаренник) 2,00 4142 6175 324 88 138 4883 - 25

Ulmus pumila (вяз) 2,50 3477 4582 119 - - 3899 18 -

Populus nigra (тополь) 2,40 3347 3703 144 89 61 2803 - -

Medicado falcata (люцерна) 2,35 3204 4018 161 61 164 3887 - 39

208 Tanacetum millefolium (ромашник) 2,00 4214 5538 228 - 259 4539 - -

Eryngium campestre (синеголовник) 1,10 6393 12515 425 325 211 6346 - 86

Artemisia austriaca (полынь) 1,60 5421 7565 207 - - 5315 - -

Kochia prostrata (кохия) 1,55 4903 7301 275 85 131 6579 - -

Festuca rupicola (типчак) 6,90 1065 1858 66 28 49 1279 - -

К.О.1 Artemisia austriaca (полынь), 1999 0,10 80960 112019 4195 - - - - -

К.О.2 Artemisia austriaca (полынь), 1931 0,15 56451 90896 1791 - - 15382 - -

К.О.3 Artemisia austriaca (полынь), 1986 0,20 37867 38272 1803 - - 5483 - -

К.О.4 Artemisia austriaca (полынь), 1998 0,40 19237 18658 874 - - 8354 - -

* - ниже предела определения.

был обнаружен в растениях КУ Festuca rupicola (типчак), Salvia tesquicola (шалфей) - 77 и 27 Бк/кг (на сухой остаток) (КУ № 3); Achillea setacea (тысячелистник), Artemisia austriaca (полынь), Salvia tesquicola (шалфей) - 55, 14 и 12 Бк/кг (на сухой остаток) (КУ № 12); Melampyrum arvense (марьянник), Galium verum (подмаренник), Medicado falcata (люцерна), Gly-cyrrhiza glabra (солодка) - 60, 25, 39 и 12 Бк/кг (на сухой остаток) (КУ № 201); Eryngium campestre (синеголовник) - 86 Бк/кг (на сухой остаток) (КУ № 208).

Таким образом, и для РН искусственного происхождения (241Am) по степени его поглощения растениями можно построить следующие ряды:

КУ № 3: Festuca rupicola (типчак) > Salvia tesquico-la (шалфей);

КУ № 12: Achillea setacea (тысячелистник) > Artemisia austriaca (полынь) > Salvia tesquicola (шалфей);

КУ № 201: Melampyrum arvense (марьянник) > > Medicado falcata (люцерна) > Galium verum (подмаренник) > Glycyrrhiza glabra (солодка).

Максимальное значение поглощенных ИРН отме-

чается для Eryngium campestre (синеголовник) и не наблюдается в Kochia prostrata (кохия), Tanacetum millefolium (ромашник), Populus nigra (тополь черный). В растениях КУ № 75 не происходит накопление ИРН.

Сопоставляя полученные ряды распределения ЕРН и ИРН, нами была обнаружена следующая закономерность, что одни и те же растения в одинаковой степени накапливают РН разного происхождения.

Следует отметить, что в контрольных образцах растений, которые были отобраны в допусковой период (1937, 1986, 1998, 1999 гг.), ИРН не обнаружено.

Механический состав почвы играет большую роль в накоплении радионуклидов. С увеличением илистых частиц в почвах снижается их содержание в растениях (степень корреляции очень тесная (r = 0,9)), что подтверждают исследователи [5].

Установлено, что из кислых почв РН поглощаются растениями в больших количествах, чем из почв нейтральных или слабощелочных [3]. Аналогичные результаты были получены и нами. Так, почвы КУ

имеют слабощелочную или щелочную среду (корреляционная связь между содержанием РН и рН очень тесная (г = 0,85)).

В работе [6] показана определенная зависимость между содержанием подвижного калия в почве и накоплением 137Сб в растениях. Из почв, содержащих большое количество калия, 137Сб поступает в растения меньше по сравнению с поглощением его из почв с низким содержанием подвижного калия. На основании проделанных опытов было установлено, что накопление цезия находится в прямой корреляционной зависимости от подвижного калия в почве (г = 0,9).

Максимальный переход 137 Cs из почвы в растения (18 Бк/кг) наблюдается на аллю-виально-луговой почве, что отражает особенности ее свойств: легкий гранулометрический состав, низкое содержание гумуса, азота и подвижных форм фосфора и калия.

Накопление 241 Ат в растительной массе, возможно, связано с путем его поступления (листовое, флоральное или из дернины) и глобальными выпадениями РН.

Для оценки переноса радионуклидов из почвы в растения был определен коэффициент поглощения (КП = Бк/кг сухой массы растений / Бк/кг сухой почвы, табл. 4). Значение коэффициента поглощения определяется физико-химическими свойствами радионуклида, биологическими особенностями растений и т.д. [7].

Данные табл. 4 показывают, что для большинства изотопов коэффициенты биологического поглощения существенно выше единицы, и только для 224Яа они в большинстве растительных образцов ниже единицы. В 10 из 14 исследуемых образцов не обнаружено поглощения растениями 238и. Накопление 137 Cs выявлено в надземной массе верблюдки (КУ-3), шалфея остепненного, полыни австрийской и типчака (КУ-75) и тополя черного (КУ-201).

Приведенные данные показывают, что уровень загрязнения растительной продукции определяется не только плотностью радиоактивного загрязнения почвы, но и в большей степени ее свойствами. Очевидно, для оценки радиационной обстановки необходимо использовать данные о содержании радиоактивных веществ в почвах и растениях, прогноз которой может быть сделан на их основе.

Таблица 4

Коэффициент биологического поглощения изотопов U, Th, Ra, Cs, K

Растения 234Th (93) 232Th 238U 224Ra 137Cs 40K

Тест-участок - 3

Василек 35,0 2,8 - 2,6 1,6 12,3

раскидистый, верблюдка

Полынь 36,6 2,5 - 1,8 - 11,7

австрийская

Тест-участок - 12

Василек 8,2 0,3 1,3 0,5 - 4,5

раскидистый, верблюдка

Полынь 10,5 1,7 - 0,9 - 18,9

австрийская

Тест-участок - 75

Шалфей остепненный 31,3 3,3 - 4,2 4,6 13,9

Полынь 18,1 2,5 - 1,8 1,5 22,1

австрийская

Типчак 11,0 0,89 - 1,3 0,9 10,9

Тест-участок - 201

Марьянник полевой 14,2 1,5 24,2 0,74 - 15,8

Тополь черный 10,1 - - 0,56 0,59 16,8

Люцерна серповидная, желтая 9,6 1,4 9,0 0,63 12,5

Вяз приземистый 6,4 0,74 - 0,82 - 7,4

Подмаренник весенний 12,0 2,57 - 0,85 - 8,2

Полынь эстрагон 20,0 1,4 15,9 1,9 - 15,6

Тест-участок - 208

Полынь 11,4 - - 1,64 - 15,2

австрийская

Литература

1. Давыдов М.Г., Клименко Г.Г., Поваров В.П. // Проблемы развития атомной энергетики на Дону: Материалы науч.-практ. конф. Ростов н/Д, 2000. Т. 2. С. 181-191.

2. Булгакова А.А. и др. // Почвоведение. 1990. № 10. С. 14 - 19.

3. Бураева Е.А. Радиоэкологический мониторинг экосистем, включающий определения радионуклидов с низкой энергией гамма-излучения: Дис. ... канд. хим. наук. Краснодар, 2005.

4. МоисеевИ.Т. и др. // Агрохимия. 1990. № 3. С. 100-107.

5. Юдинцева Е.В., Мамонтова Л.А. // Почвоведение. 1979. № 12. С. 56-61.

6. Буланцев Ю.В. // Агрохимия. 1994. № 11. С. 141-151.

7. Баулев В.В. Охрана окружающей среды при эксплуатации АЭС. М., 1967.

Южный федеральный университет

13 февраля 2007 г.