CC BY
56
Химия растительного сырья. 2000. №1. С. 51-56.
УДК 630. 424.5
ИЗУЧЕНИЕ ПРОСТРАНСТВЕННОЙ НЕОДНОРОДНОСТИ НАКОПЛЕНИЯ ТЕХНОГЕННЫХ РАДИОНУКЛИДОВ В КОМПОНЕНТАХ ЛЕСНОГО БИОГЕОЦЕНОЗА КРАСНОЯРСКОГО КРАЯ
© С.М. Репях, М.А. Катанаева, А.Г. Ковалев, Л.Н. Руденко
Сибирский государственный технологический университет, пр. Мира, 82, Красноярск, 660049 (Россия), e-mail: re@sibstu.kts.ru
Изучено распределение долгоживущих техногенных радионуклидов по компонентам биогеоценозов на территории Красноярского края. Приведены методики по отбору проб и определению количества и динамики накопления цезия-137 и стронция-90 в растительности и почве.
Для изучения миграции и распределения долгоживущих техногенных радионуклидов цезия-137 и стронция-90 в структурных частях различных хвойных и лиственных пород древесины Красноярского края был выбран район, расположенный ниже горно-химического комбината (ГХК) г. Железногорска, территория которого по потенциальной радиационной опасности условно относится к первой зоне.
Источниками радиоактивного загрязнения окружающей среды являются: реакторное производство, радиохимический завод по переработке облученных стандартных урановых блоков, цех хранения отработавших тепловыделяющих сборок, цех по переработке радиоактивных отходов (РАО), полигон "Северный" для захоронения жидких радиоактивных отходов. В результате эксплуатации данного реакторного производства в окружающую среду поступают радионуклиды:
- с жидкими сбросами загрязненных вод охлаждения реакторов, конденсаторов турбин и концевых холодильников;
- с вентиляционными и газоаэрозольными выбросами технологических газов;
- с твердыми высоко-, средне- и низкоактивными отходами.
Сбросные воды ГХК, в основном, поступают в реку Енисей и частично в болота поймы реки.
Размеры и границы санитарно-защитной зоны (СЗЗ) комбината учитывают преобладания западных и юго-западных ветров; СЗЗ вытянута в виде овала с юго-запада на северо-восток протяженностью 17 км, ее граница напротив деревни Атоманово проходит по реке Енисей. На правом берегу, на расстоянии 16 км вниз от места сброса сточных вод комбината расположена деревня Большой Бальчуг (300 чел.), на левом берегу на расстоянии б км от места сброса - деревня Атоманово (2200 чел.) [1].
Методика определения удельной активности цезия-137 и стронция-90 в структурных частях древесины различных пород включает последовательное выполнение следующих процедур:
- выбор контрольных точек и определение в каждой из них мощности экспозиционной дозы у-излучения, содержание в почве стронция-90 и цезия-137 и ее химический состав;
- выбор объектов исследования;
Автор, с которым следует вести переписку.
- отбор проб структурных частей древесины для испытаний;
- приготовление счетных образцов для измерения активности радионуклидов в них;
- измерение активности радионуклидов в счетных образцах;
- обработка результатов измерений и оценка удельной активности радионуклидов в пробах [2, 3].
Исследования были проведены на двух пробных стационарных участках в Сухобузимском лесхозе,
характеризующихся различными путями поступления радионуклидов в лесной биоценоз, гидрологическими режимами и видовыми составами.
Первый участок - квартал 45, расположен между деревнями Атоманово и Кононово. Исследования на этом участке позволяют рассмотреть газоаэрозольный путь поступления цезия-137 и стронция-90 в результате выбросов с ГХК согласно розе ветров в данном районе.
Второй участок - остров Березовый, расположен напротив деревни Большой Бальчуг ниже от места сброса сточных вод комбината, подвергается периодическому затоплению в период паводков. Исследования на данном участке позволяют рассмотреть поступление радионуклидов через корневую систему растений и аэрозольным путем.
Первый пробный стационарный участок, согласно описаниям лесопатологического надзора, расположен в Сухобузимском лесхозе Кононовского лесничества: площадь выдела - 26 га, площадь пробы - 0,5 га; рельеф - равнинный; состояние поверхности - отдельные кочки до 20 см; древостой - 7С1Л1Б1О; возраст -80 лет; полнота - 0,5; бонитет - 2; тип леса - бруснично-разнотравный, диаметр средний - 26 см, высота -23 м, запас - 180 м3, подрост - 10С 3000 шт/га высота 2 м; почва - дерновая слабоподзолистая; каменистость
- галька на глубине 30 см.
Экспозиционная доза гамма-излучения на данном участке колебалась от 4 до 19 мкР/ч. Замеры выполняли в 30 точках на высоте 1 м от поверхности земли.
Почва - одно из важнейших звеньев миграции радионуклидов в природных ландшафтах. Поступление радионуклидов из почвы в растения зависит от физико-химических и механических свойств почвы. В связи с этим изучение закономерностей поведения искусственных радионуклидов в почвах представляет существенный интерес. С химической точки зрения поведение микроколичеств искусственных радионуклидов в различных звеньях миграции во многом зависит от присутствия носителей этих радионуклидов в биологических системах. В рассматриваемой нами системе почва-растение основными неизотопными носителями для цезия-137 являются К и N8, а для стронция-90 - Са и [10].
Важную роль в миграции искусственных радионуклидов под пологом леса играет также подстилка. Осевшие из атмосферы искусственные радионуклиды попадают сразу на лесную подстилку или оседают на нее с опадом надземных частей растений. Затем по мере гумификации и минерализации лесных подстилок радионуклиды поступают в верхние горизонты почвы, становясь доступными для усвоения корневыми системами растений. Интенсивность миграции радионуклидов из подстилки в почву зависит от свойств подстилки [10].
Таким образом, поведение радиоактивных изотопов щелочных и щелочноземельных элементов во многом зависит от физико-химических свойств почв. Ниже приведены данные о содержании этих изотопов и обменных форм различных элементов в почвах исследуемых стационарных участков.
Содержание цезия-137 в подстилке составляло 107,8 Бк/кг, а на глубине 0-10 см - 28,5 Бк/кг; стронция-90 на глубине 0-10 см - 89,3 Бк/кг. Отбор почвенных образцов и растительных материалов производился по общепринятым методикам: после измерения мощности дозы гамма-излучения и выбора мест отбора на лесную подстилку накладывали рамку размером 1x1 м и фиксировали площадку в зависимости от густоты
травостоя, но таким образом, чтобы объем растительной массы с каждой площадки был не менее 1 дм3. Наземную часть травяного покрова в пределах рамки срезали ножом. Высота среза растений была не менее 3 см от поверхности почвы. Для получения усредненного растительного образца использовали 8 индивидуальных проб [4].
Почвенные пробы отбирали из следующих горизонтальных слоев: подстилка, 0-10 и 10-20 см. Для морфологической характеристики почвенного покрова пробных площадей на каждой из них закладывали один почвенный разрез, две полуямы и в зависимости от структуры почвенного покрова необходимое число прикопок, чтобы охарактеризовать варьирование основных показателей почвы. Морфологическое описание почвенных профилей проводили по общепринятой методике. Почвенные разрезы делали в местах рубки учетных деревьев. Морфологическая характеристика почвы является базой для изучения динамики ее основных свойств.
Химический состав почвы определяли на инфракрасном анализаторе "Инфрапид-61" (табл. 1). Поскольку стронций-90 и цезий-137 относятся соответственно к щелочно-земельным и щелочным элементам их поведение во многом определяется наличием в почвах стабильных изотопов (особенно калия и кальция -одних из основных по содержанию в почвах элементов I и II групп периодической системы).
Второй пробный постоянный участок согласно описаниям лесопатологического надзора, расположен на острове Березовый в Сухобузимском лесхозе Кононовского лесничества: рельеф - равнинный; склон с крутизной 5 градусов юго-восточной экспозиции; тип леса - березово-разнотравный; почва - дерновая маломощная, механический состав - песок; подстилающая порода - песчаная; каменистость - галька.
Экспозиционная доза гамма-излучения на данном участке колебалась от 4 до 41 мкР/ч.
Содержание цезия-137 в середине острова в подстилке составляло 166,7 Бк/кг, на глубине 0-10 см -72,2, а на глубине 10-20 см - 41,4; стронция-90 на глубине 0-10 см - 53,7 Бк/кг.
Содержание цезия-137 около реки в подстилке составляло 893,8 Бк/кг; на глубине 0-10 см - 471,7; стронция-90 на глубине 0-10 см - 103,6 Бк/кг.
Химический состав почвы на острове Березовый приведен в таблице 2.
Как видно из результатов анализа, химический состав почвы приблизительно одинаков на всей исследуемой территории острова.
В качестве объектов исследования были выбраны следующие породы деревьев: хвойные - сосна, лиственница и лиственные - береза, осина, ива, которые являются основными лесообразующими породами для данных территорий.
Таблица 1. Химический состав почвы на участке 45 (мг/кг почвы)
рН сол. рН Н2О Гид. к-ть Са Mg Al As V Mo Ba Se K №
5,6 6,68 5,78 40,4 3,46 0,28 9,94 0,64 4,82 9,94 0,02 44,1 25,7 1,35 0,18
Таблица 2. Химический состав почвы (мг/кг почвы) на о. Березовый в середине острова (1) и у реки (2)
рН сол. рН Н2О Гид. к-ть Са Mg Al As V Mo Ba Se K №
1 5,65 6,89 9,96 44,0 3,79 0,29 7,10 0,77 4,87 7,06 0,02 44,50 26,80 1,42 0,19
2 5,68 6,91 8,34 43,8 3,64 0,28 8,15 0,79 4,89 10,7 0,02 44,40 24,90 1,38 0,18
Отбор проб для определения содержания цезия-137 и стронция-90 для каждой породы древесины проводился с трех модельных деревьев максимальной ступени толщины и наибольшего разряда высоты (1-11 классов роста по Крафту). Представительность пробы для каждой породы древесины учитывалась с помощью коэффициента представительности Кп, значение которого различно и зависит от количества модельных деревьев [3].
После валки дерева обрубали крупные ветви и одновременно с этим производили отбор проб листвы (хвои), мелких веток толщиной до 2 см, прироста и семян. Пробы хвои, листвы, ветвей отбирали с той части кроны, которая при валке дерева не касалась земли. Пробы отбирали равномерно по ярусам деревьев: с верхней, средней и нижней частей кроны. Масса одной пробы была не менее 1 кг.
После обрубки веток ствол распиливали на отрезки средней (3/4 высоты) и нижней (1/3 м) части ствола. С части каждого отрезка ствола по всей окружности топором снимали кору с пропорциональным содержанием луба и мертвой корки на пленку, так, чтобы кора и топор не касались лесной подстилки. Собранную на пленку кору перемешивали и отбирали среднюю пробу объемом не менее 2,4 дм3. отобранную пробу упаковывали в двухслойный полиэтиленовый пакет, между пакетами помещали этикетку установленного образца, где указывали породу, номер участка, структурную часть, место отбора, дату.
Точечные пробы древесины отбирали также со средней и нижней части при помощи пилы с чисто окоренного ствола на полиэтиленовую пленку путем полных пропилов, упаковывали и маркировали аналогичным способом, описанным выше [4].
Кроме этого, из ствола дерева в вышеуказанных местах делали выпилы длиной 10-15 см и массой не менее 1 кг, которые предназначались специалистами Томского политехнического университета для радиографического анализа срезов годовых колец деревьев, позволяющего фиксировать время поступления делящихся элементов (уран-235, плутоний-239 и другие трансурановые компоненты без их разделения) [5].
Приготовление счетных образцов для измерения активности радионуклидов включало последовательное выполнение следующих процедур:
- предварительно отобранные пробы структурных частей древесины измельчали на истирателе до фракции не более 0,5 см, а почву просеивали через сито с ячейками 1 мм;
- образцы почвы и растений высушивали до воздушно-сухого состояния в сушильном шкафу в течение 3 ч при температуре 105 °С, затем охлаждали в эксикаторе и взвешивали. Повторяли высушивание в течение 1 ч и последующее взвешивание до тех пор, пока не достигали постоянного веса (разница в весе при двух последовательных взвешиваниях должна быть не более 0,1% от исходного веса образца);
- счетные образцы для измерения активности цезия-137 готовились из высушенных проб отбором количества вещества, равного объему измерительной кюветы радиометрической установки (сосуда Маринелли). Масса вещества определялась путем взвешивания кюветы с препаратом и свободной кюветы после проведения измерения на у-спектрометре;
- счетные образцы для измерения активности стронция-90 готовились из материала измеренных счетных образцов для цезия-137. Минерализацию материала пробы осуществляли методом сухого озоления в муфельной печи. Первоначально образец осторожно обугливали на электроплитах при температуре 150-300 °С в закрытых металлических противнях. Полученную золу насыпали в фарфоровые тигли и прокаливали в муфельной печи при температуре 500 °С в течение 3 ч. Затем тигли с золой охлаждали в эксикаторе до комнатной температуры и взвешивали. Повторное прокаливание в течение 1 ч и взвешивание
проводили до достижения постоянного веса пробы. Вес счетного образца определяли путем нахождения разницы между весом тиглей с пробой и пустых тиглей. О правильном озолении свидетельствует цвет золы - белый, охристый, розоватый или кремовый. Далее определяли коэффициент концентрации вещества при озолении - отношение массы исходного вещества (массы вещества в счетном образце, высушенном до воздушно-сухого состояния) к массе приготовленного из него препарата. Этот коэффициент должен быть не менее 5. Счетный образец получали размещением определенного количества материала пробы (2-15 г) в измерительной кювете и приготовлением при помощи специального устройства таблетки равной толщины. Содержание изотопа стронция-90 измерялось на бета-спектрометре.
Параллельно сотрудниками краевой службы Санэпиднадзора определялось содержание стронция-90 по дочернему итрию-90 по стандартной методике [6] выделения итрия-90 в виде оксалата, радиометрию осадков которого проводили на малофоновой установке с торцовым счетчиком СБТ-16 при ошибке счета не более 15%.
Измерение радиоактивности радионуклидов проводили на радиометрической установке по аттестованным методикам выполнения измерений [7, 8].
Расчет площадей фотопиков проводили с помощью машинной обработки, максимальная ошибка измерения составляла 30%.
При проведении исследований на стационарных участках в Сухобузимском лесхозе Кононовского лесничества выявлено, что количество цезия-137 и стронция-90 в древесной растительности не превышает установленных нормативов [9]. Наличие цезия-137 в древесине, коре, крупных и мелких ветках, приросте, семенах, хвое (листьях) соответствует уровню и ниже пределов чувствительности гамма-спектрометра. Удельная активность стронция-90 в тех же структурных частях колеблется от 1,1 до 123,2 Бк/кг, что близко к нижнему пределу чувствительности прибора. Существенных различий в его содержании в тканях деревьев различных пород не отмечено. Таким образом, исходя из наблюдений можно считать, что динамику загрязненности компонентов древесного яруса техногенными радионуклидами можно проводить на основании содержания их в хвое (листьях), мелких ветках, коре, тем более что отбор проб данных компонентов позволяет получить большой объем выборки без значительных затрат и не нарушит структуры биогеоценоза при отборе проб.
В результате обработки данных на всех участках выявлены следующие закономерности:
- основная доля радиоцезия содержится в подстилке и в верхнем слое почвы. Вертикальное падение удельной активности в почвенном профиле характеризуется большими величинами (уменьшается в два-три раза на глубине от 0 до 20 см);
- наиболее радиационно "чистыми" являются хвойные породы (сосна, лиственница) в отличие от лиственных (береза, осина, ива). Среди изучаемых лиственных пород наиболее загрязнена осина;
- при техногенном загрязнении лесных экосистем индикаторами качества среды является надпочвенный покров (подстилка), менее всего загрязнена радионуклидами древесина. При изучении результатов исследований на стационарных участках существенных различий в содержании техногенных радионуклидов в структурных частях древесины не отмечено.
Список литературы
1. Радиационная обстановка на территориях России и сопряженных государств в 1996 году: Ежегодник. СПб., 1998.
С. 40-75.
2. МИ 2491-98. Содержание цезия-137 и стронция-90 в древесине, отпускаемой на корню. 1998. 22 с.
3. Методические указания по определению удельной активности цезия-137 и стронция-90 в древесине, отпускаемой на корню (с отбором проб). 1998. 22 с.
4. Методика радиохимического определения стронция-90 в пробах почвы и растительных материалов. 1994. 12 с.
5. Рихванов Л.П. Общие и региональные проблемы радиоэкологии. Томск, 1997. 286 с.
6. Методические рекомендации по санитарному контролю за содержанием радиоактивных веществ в объектах внешней среды / Под ред. А.Н. Марея и А.С.Заковой. М., 1980. С. 124-127.
7. Методика измерений активности радионуклидов в счетных образцах на сцинтилляционном гамма-спектрометре с использованием программного обеспечения "ПРОГРЕСС". 1986. 37 с.
8. Методика измерения активности бета-излучающих радионуклидов в счетных образцах с использованием программного обеспечения "ПРОГРЕСС". 1986. 27 с.
9. Допустимые уровни содержания цезия-137 и стронция-90 в продукции лесного хозяйства: Гигиенические нормативы ГН 2.6.1.670-97. М., 1997. 5 с.
10. Алексахин Р.М., Нарышкин М.А. Миграция радионуклидов в лесных биогеоценозах. М., 1977. 141 с.
Поступило в редакцию 31 июля 2000 года
