Dinamika soderzhaniya 137Cs v pochvakh sel'skokhozyaystvennykh ugodiy, zagryaznennykh ot Chernobyl'skoy avarii

Full Text

После чернобыльской аварии прошло 30 лет. В результате радиоактивного распада содержание радионуклидов в почве сельскохозяйственных угодий, в том числе 90Sr и 137Cs, снизилось и на значительной площади уровень загрязнения 137Cs стал ниже 1 Ки/км2. Цель исследований - оценка современного содержания радионуклидов в почве земель сельскохозяйственного назначения, загрязненных чернобыльскими выпадениями. Задачи исследований - сопоставление данных по содержанию 90Sr и 137Cs в почве в Российской Федерации в целом с результатами мониторинга в отдельных регионах, а также оценка продолжительности периода снижения содержания 137Cs в почве до 1 Ки/км2 в отдельных районах загрязненных территорий. Материалы и методы исследований. В данной работе использовались результаты по радиоактивному загрязнению территории населенных пунктов Российской Федерации [1] и радиационного локального мониторинга почв сельскохозяйственных угодий [2, 3]. При локальном мониторинге состояние окружающей среды оценивается с точки зрения здоровья человека, что служит самым важным, емким и комплексным показателем состояния окружающей среды. Для проведения оценки динамики содержания техногенных радионуклидов был использован статистический анализ данных мониторинга. Для каждого района субъекта РФ, загрязненного радиоактивными выпадениями от чернобыльской аварии, сформированы множества данных и из этих множеств оценены средние значения, стандартные отклонения и верхние границы типичных уровней загрязнения почв. Как показало радиологическое обследование почв сельхозугодий в 1992-1993 г. 18 субъектов РФ имели в своем составе территории, на которых уровень загрязнения 137Cs почвы превышал 1 Ки/км2 [4]. В настоящее время их осталось только 9. Результаты исследований. В таблице 1 представлены субъекты РФ, имеющие в своем составе районы с верхней границей уровня загрязнения почв 137Cs более 1 Ки/км2. Для каждого района рассчитано время достижения верхних границ уровней загрязнения почвы (значения в 1 Ки/км2). В столбце 4 таблицы 1 оценено время достижения уровня в 1 Ки/км2 с учетом радиоактивного распада. Однако, снижение концентрации 137Cs в почве также происходит в результате миграционных процессов. На основе результатов локального радиологического мониторинга на реперных участках сельскохозяйственных угодий загрязненных областей, рассчитан период полувыведения 137Cs из почв, который равен 24±1,5 года [2]. С учетом этой величины в столбце 5 таблицы 1 приведено расчетное время спада верхних границ загрязнения до уровня 1 Ки/км2. Серьезные проблемы радиоактивного загрязнения почв остаются в Брянской области. В Гордеевском (7,4 Ки/км2), Злыковском (9,6 Ки/км2), Красногорском (6,9 Ки/км2) и Новозыбковском (10,6 Ки/км2) районах среднее содержание 137Cs в почвах превышает уровень 5 Ки/км2. Таблица 1 Время снижения (годы) верхних границ уровней загрязнения почв 137Cs до уровня 1 Ки/км2 на загрязненной территории для районов Район области Среднее Верхняя граница Время снижения до уровня 1 Ки/км2 Уровень загрязнения, Ки/км2 по периоду полураспада Т1/2 = 30 лет по периоду полувыведения Х1/2 = 24 года 1 2 3 4 5 Брянская область, площадь загрязнения с.-х. угодий 6980 км2, запас 137Cs = (25±8)·103 Ки Гордеевский 7,4 11,5 106 84 Дятьковский 0,9 1,4 15 12 Злыковский 9,6 15,8 120 95 Климовский 3,2 5,1 71 56 Клинцовский 4,4 7,6 88 70 Красногорский 6,9 16,9 123 98 Новозыбковский 10,6 14,7 117 93 Стародубский 1,0 1,7 23 18 Калужская область, площадь загрязнения с.-х. угодий 1620 км2, запас 137Cs = (1,8±0,5)·103 Ки Жиздринский 1,7 3,0 48 38 Людиновский 0,9 1,3 11 9 Ульяновский 2,7 4,1 61 49 Хвастовичский 2,1 3,7 57 45 Орловская область, площадь загрязнения с.-х. угодий 4190 км2, запас 137Cs = (3,2±0,3)·103 Ки Болховский 1,6 2,5 40 32 Глазуновский 0,91 1,5 18 14 Дмитровский 0,91 1,4 15 12 Залегощекинский 0,67 1,4 15 12 Знаменский 0,65 1,2 8 6 Мценский 0,85 1,3 11 9 Свердловский 0,76 1,4 15 12 Троснянский 0,91 1,5 18 14 Урицкий 0,84 1,2 8 6 Тульская область, площадь загрязнения с.-х. угодий 7790 км2, запас 137Cs = (10,1±1,6)·103 Ки Арсеньевский 2,7 3,5 54 43 Белевский 1,2 2,0 30 24 Богородицкий 1,4 2,3 36 31 Воловский 0,74 1,07 3 2 Каменский 0,57 1,2 8 6 Кимовский 0,80 1,3 11 9 Киреевский 1,3 2,3 36 29 Плавский 3,0 5,1 71 56 Теплоогаревский 0,96 1,6 20 16 Узловской 1,7 2,6 42 33 Чернский 1,4 2,4 38 30 Щекинский 0,98 2,2 34 27 Рязанская область, площадь загрязнения с.-х. угодий 5320 км2, запас 137Cs = (3,8±0,3)·103 Ки Корабликовский 1,1 1,7 23 18 Милославский 0,99 1,6 20 16 Михайловский 0,77 1,1 4 3 Ряжский 0,95 1,5 18 14 Скопинский 1,0 1,6 20 16 Старожиловский 0,78 1,1 4 3 Белгородская область, площадь загрязнения с.-х. угодий 1620 км2, запас 137Cs = (1,8±0,5)·103 Ки Красненский 0,87 1,08 3 2,5 Липецкая область, площадь загрязнения с.-х. угодий 1619 км2, запас 137Cs = (1,0±0,1)·103 Ки Краснинский 0,85 1,22 8 6 Воронежская область, площадь загрязнения с.-х. угодий 1320 км2, запас 137Cs = (0,79±0,05)·103 Ки Репьевский 0,81 1,1 4 3 Курская область, площадь загрязнения с.-х. угодий 1220 км2, запас 137Cs = (1,1±0,2)·103 Ки Железногорский 1,1 2,2 34 27 Повыревский 1,1 2,5 40 32 Это указывает на то, что на радиоактивно загрязненных территориях в этих районах Брянской области останутся сложности получения нормативно безопасной по качеству сельскохозяйственной продукции в течении 2,5-4 периодов полураспада 137Cs (80-120 лет). В Климовском (3,2 Ки/км2) и Клинцовском (4,4 Ки/км2) районах эти проблемы останутся в течение 1,5-2,0 периодов полураспада (45-60 лет). В Плавском районе Тульской области снижение содержания 137Cs до 1 Ки/км2 произойдет в течение 70 лет. Основным типом почв Тульской области являются черноземы. Переход 137Cs из черноземов в сельскохозяйственные растения менее значителен по сравнению с другими типами почв. Поэтому содержание 137Cs в сельскохозяйственной продукции, которое удовлетворяет нормативам, может быть достигнуто и в более короткие сроки. В Жиздринском, Ульяновском Хвастовичском районах Калужской области и Арсеньевском районе Тульской области снижение содержания 137Cs в почве до уровня 1 Ки/км2 можно ожидать через 1,5-2 периода полураспада (через 45-60 лет). В Болховском районе Орловской области, Белевском, Богородицком, Киреевском, Узловском, Чернском и Щекинском районах Тульской области, Железногроском и Повырьевском районах Курской области снижение содержания 137Cs в почве до уровня 1 Ки/км2 наступит приблизительно через 1 период полураспада. С учетом того, что эти загрязненные территории принадлежат к черноземной зоне, снижение до норматива уровней загрязнения сельскохозяйственной продукции, полученной в этих районах, может наступить раньше. Для загрязненных районов Рязанской, Белгородской, Липецкой, Воронежской и также неотмеченных ранее районов Брянской, Тульской, Калужской и Орловской областей требуется менее 1 периода полураспада. Начало отсчета 1 января 2015 года. На остальной территории, подвергшейся радиоактивному загрязнению от чернобыльской аварии, верхняя граница содержания 137Cs в почвах сельскохозяйственных угодий стала ниже (или достигла уровня) 1 Ки/км2. Результаты мониторинга почв ряда областей Европейской части России, содержание 137Cs в которых меньше 1 Ки/км2, представлены в таблице 2. Почвы сельскохозяйственных угодий этих областей можно исключить из категории почв, загрязненных 137Cs. В настоящее время их следует отнести к почвам, имеющим повышенное, чем в среднем по России, содержание 137Cs. Таблица 2 Содержание 137Cs в почве сельскохозяйственных угодий на радиоактивном пятне и субъекте РФ в целом Субъект РФ (область) Среднее содержание, Бк/кг (Ки/км2) Верхняя граница, Бк/кг (Ки/км2) радиоактивное пятно субъект радиоактивное пятно субъект Рязанская 75 (0,61) 56 (0,46) 106 (0,86) 92 (0,75) Пензенская 54 (0,44) 35 (0,28) 70 (0,57) 41(0,33) Мордовия 37 (0,30) 25 (0,20) 60 (0,49) 40 (0,33) Ульяновская 45 (0,37) 4,1 (0,03) 52 (0,43) 4,6 (0,04) Белгородская 72 (0,59) 22 (0,18) 91(0,74) 30 (0,24) Липецкая 62 (0,50) 49 (0,40) 88 (0,71) 71 (0,58) Воронежская 55 (0,45) 36 (0,29) 71 (0,58) 53 (0,43) Курская 50 (0,41) 32 (0,26) 94 (0,77) 63 (0,51) Тамбовская 44 (0,36) 38 (0,31) 54 (0,44) 54 (0,44) Ленинградская 61 (0,50) 36 (0,29) 85 (0,70) 80 (0,65) Смоленская 29 (0,24) 13 (0,11) 33 (0,27) 19 (0,15) Радиологический мониторинг в Нижегородской, Саратовской, Тверской областях и Республиках Чувашия и Татарстан в 1992 и 1993 г. выявил площади радиоактивно загрязненных почв сельскохозяйственных угодий. В настоящее время в этих субъектах РФ радиоактивное загрязнение почв не обнаружено. Обследование загрязненных территорий в 1992-1994 гг. показало, что уровень загрязнения основных площадей сельскохозяйственных угодий по 137Cs находился в интервале 1-5 Ки/км2, причем большинства площадей черноземной зоны - в интервале 1-3 Ки/км2 [4, 11]. По истечении 1 периода полураспада 137Cs (30 лет) следовало ожидать, что на значительной части загрязненных сельскохозяйственных угодий содержание 137Cs в почве станет менее 1 Ки/км2 (~120 Бк/кг). Современные данные мониторинга (табл. 2) подтверждают этот прогноз. При рассмотрении общей радиационной ситуации на сельскохозяйственных угодьях России целесообразно выделить почвы с плотностью загрязнения по 137Cs в интервале 0,3-1,0 Ки/км2 в отдельную группу. Для этой группы почв внесение повышенных калийных и известковых удобрений не требуется. В практике землепользования важно применять агрохимические и агротехнические приемы снижения уровня загрязнения сельскохозяйственной продукции, проведение которых не требует существенного изменения применяемой технологии возделывания культур и коренной перестройки севооборотов. Высокая культура земледелия является основой снижения концентраций 137Cs и 90Sr в продукции растениеводства. Результаты многочисленных и многолетних исследований показывают, что из почв, характеризующихся высоким плодородием, техногенные радионуклиды поступают в растения и накапливаются в урожае в значительно меньших количествах, чем из низко плодородных почв [5-10]. Поэтому на почвах с плотностью загрязнения 0,3-1,0 Ки/км2 по 137Cs при высокой культуре земледелия, обеспечивающей получение высоких урожаев, следует ожидать относительно низкого уровня загрязнения растительной продукции. На рисунке 1 представлена динамика содержания 137Cs в почвах реперных и контрольных участков 1991-2016 гг., загрязненных чернобыльскими выпадениями, субъектов РФ (Белгородская, Воронежская, Курская, Липецкая, Пензенская, Саратовская, Тамбовская области, республика Мордовия) и Российской Федерации в целом. Показано, что на загрязненной территории спад радиоактивного загрязнения протекал более быстро, чем в целом для страны. Рис. 1. Изменение во времени среднего содержания 137Cs, Бк/кг (Ки/км2), в почвах субъектов РФ, загрязненных чернобыльскими выпадениями, и России в целом В 2011 г. в Японии на АЭС «Фукусима» произошла радиационная авария. В окружающую среду было выброшено значительное количество 137Cs. Эта авария скомпенсировала те положительные тенденции по снижению уровней загрязнения почв радионуклидами, которые наблюдались с 1998 по 2011 г. в целом по России. На рисунке 1 также приведена в соответствии с законом радиоактивного распада (Т1/2=30 лет) расчетная зависимость снижения содержания 137Cs в почве субъектов. Видно, что в натурных условиях с 2007 г. реальное снижение содержания 137Cs в почве происходило интенсивнее в сравнении с расчетным. Это может быть обусловлено дополнительным выносом 137Cs с весенним паводком. Более быстрому снижению содержания 137Cs в почвах также способствует внесение повышенных доз калийных удобрений. В результате реакций изотопного (ионного) обмена 137Cs между цезием (калием и рубидием) почвы и удобрениями часть радионуклида переходит в калийное удобрение и соответственно выносится с полей весенним поводком. В таблице 3 представлены параметры радиоактивного загрязнения почв Российской Федерации в 2016 г. по данным локального мониторинга: среднее значение равно 12,0 Бк/кг (~ 0,1 Ки/км2), стандартное отклонение - 14 Бк/кг. Верхняя граница загрязнения 137Cs почв сельскохозяйственных угодий России составляет 26 Бк/кг (~0,2 Ки/км2). Отметим высокое значение эксцесса, что свидетельствует о том, что во множестве данных, характеризующих загрязнение почв, экстремальные значения встречаются достаточно редко, а большинство результатов группируются вблизи среднего значения. Таблица 3 Мощность экспозиционной дозы и содержание 137Cs и 90Sr в почвах России, 2016 г. Статистический параметр МЭДГ, мкР/ч Содержание, Бк/кг 137Cs 90Sr Среднее 11,0 12,0 4,7 Стандартное отклонение 2,7 14 3,7 Стандартное отклонение среднего 0,1 0,4 0,1 Эксцесс 0 32 6,5 Количество участков 1088 1167 1070 При обобщении результатов радиологического мониторинга почвы сельскохозяйственных угодий РФ можно условно разделить на три группы. К 1 группе (по 137Cs) следует отнести радиоактивно загрязненные почвы с плотностью загрязнения больше 1 Ки/км2. Для этой группы введена градация по плотности радиоактивного загрязнения (Ки/км2): 1-5; 5-15; 15-40; 40-80; более 80. В эту группу входят почвы загрязненных территорий Брянской, Тульской, Калужской и Орловской областей. При отсутствии крупных радиационных аварий следует ожидать, что спад загрязнения почвы 137Cs будет происходить с периодом полувыведения 24-30 лет. Ввиду того, что уровень загрязнения почв значительно превышает таковые среднестатистические значения по России, то совокупность данных по радиоактивному загрязнению целесообразно выделить в отдельное множество. К 2 группе следует отнести почвы, имеющие уровень загрязнения 137Cs 30-120 Бк/кг (0,3-1,0 Ки/км2, табл. 2). В основном это почвы центральных черноземных областей и Поволжья. Они имеют повышенное содержание 137Cs в почве по сравнению со стандартным содержанием по России. Установлено, что с 1991 по 2011 гг. период полувыведения 137Cs из этих почв составлял 24,0±1,5 года [2]. В дальнейшем при приближении среднего содержания 137Cs в почве субъектов к среднему содержанию по РФ следует ожидать увеличения периода полувыведения 137Cs из почвы и замедление спада. В 3 группу почв следует включить почвы, в которых содержание 137Cs не превышает 37 Бк/кг (менее 0,3 Ки/км2). Большинство сельскохозяйственных угодий России входит в эту группу. Статистические параметры уровней радиоактивного загрязнения почв этой группы с 2003 г. стабильны в пределах погрешности оценки. Изменение содержания радионуклидов в сельскохозяйственных растениях во времени связано не только со снижением уровней загрязнения почвы в результате радиоактивного распада и миграции, но и с изменением изотопных и ионных соотношений 137Cs+/Cs+; 137Cs+/Rb+; 137Cs+/К+. Вполне возможно, что К+ и Rb+ являются групповыми носителями (щелочные металлы)137Cs+. Внесение калийных удобрений снижает указанные изотопные и ионные соотношения, что способствует снижению коэффициентов накопления (перехода) и уровня загрязнения сельскохозяйственной продукции. Заключение. Анализ пространственно-временных изменений уровней загрязнения почв сельскохозяйственных угодий показывает, что в течении первых 30 лет после аварии существенно снизились уровни загрязнения и сократились площади угодий, в которых плотность загрязнения почвы превышает уровень в 1 Ки/км2. При этом сократилось и число субъектов РФ, имеющих такой уровень загрязнения, с 18 (1992 г.) до 9 (2014 г.). Проблема загрязнения почв и сельскохозяйственной продукции остаются в Гордеевском, Злыковском, Красногорском и Новозыбковском районах Брянской области. Снижение последствий радиоактивного загрязнения почв в этих районах останется актуальным еще несколько десятилетий.

About the authors

Pavel Mikhaylovich Orlov

Email: alex.orlov1988@gmail.com

Natal'ya Ivanovna Akanova

Email: N_Akanova@mail.ru

References

Supplementary files