Содержание к диссертации
Введение
1. Особенности поведения радиоцезия в экосистемах (обзор литературы) .9
1.1. Источники и масштабы современного загрязнения радиоцезием экосистем Калужской области 9
1.2. Сорбция и распределение радиоцезия в почвах экосистем 13
1.3. Миграция радиоцезия в почвах экосистем 23
1.4. Биопоглощение радиоцезия в экосистемах 31
2. Объекты, условия и методы исследований 49
2.1. Объекты исследования 49
2.2. Условия исследования 70
2.3. Методы исследования 73
3. Поведение радиоцезия в экосистемах с дерново - подзолистыми супесчаными почвами на двучленных отложениях 83
3.1. Распределение радиоцезия по почвенному профилю в системе геохимически - сопряженных элементарных агроландшафтов (ГСЭАЛ) 83
3.2. Распределение радиоцезия по почвенному профилю в системе геохимически - сопряженных элементарных лесных ландшафтов (ГСЭЛЛ) 89
3.3. Роль сельскохозяйственных и природных экосистем в миграции радиоцезия 92
3.4. Содержание радиоцезия в урожае сельскохозяйственных культур ГСЭАЛ 100
4. Поведение радиоцезия в экосистемах с дерново-подзолистыми суглинистыми почвами на покровных и моренных отложениях 104
4.1. Радиоцезий в системе геохимически - сопряженных элементарных агроландшафтов 105
4.2. Радиоцезий в травянистой экосистеме 131
4.3. Радиоцезий в лесной экосистеме 137
5. Роль растительных остатков экосистем в биомиграции радиоцезия . 146
6. Радиоцезий в личных подсобных хозяйствах (ЛПХ) и разработка методов снижения его содержания в продукции СХП 150
7. Аккумуляция радиоцезия в прифермских экосистемах 166
Выводы и предложения 171
Библиографический список литературы 176
Приложения
- Источники и масштабы современного загрязнения радиоцезием экосистем Калужской области
- Объекты исследования
- Распределение радиоцезия по почвенному профилю в системе геохимически - сопряженных элементарных агроландшафтов (ГСЭАЛ)
Введение к работе
Актуальность темы. Актуальность темы исследования определяется тем, что Чернобыльская авария привела к загрязнению радионуклидами огромных территорий, включая 10 районов Калужской области и, в особенности, Хвастовичского, Жиздринского и Ульяновского районов, требующих ведения постоянного радиомониторинга. Основным загрязнителем области является долгоживущий цезий -137 Чернобыльского следа, который представляет определенную биоопасность для региона.
В этой связи является особо актуальным поиск путей реабилитации загрязненных территорий от радиоцезия Чернобыльского следа. Существуют два пути решения данной проблемы:
1) очищение территории от радионуклидов за счет целенаправленного
комплекса антропогенных мероприятий (организационных, агротехнических,
агрохимических и технологических). На сегодня данные мероприятия
являются дорогостоящими и слабо финансируются из федерального бюджета
(Алексахин, 2006).
2) самоочищение экосистем от радионуклидов за счет сложных природных и
антропогенных биогеохимических потоков вещества и энергии, в том числе и
радионуклидов (Фокин, Торшин, 2005).
Поэтому весьма необходимы исследования миграционных потоков радиоцезия в различных экосистемах Калужской области по истечении 10 -20 лет после аварии. При этом важно выявление биогеохимических потоков радиоцезия, которые приводят к «разбавлению» его в объектах сельскохозяйственного производства и окружающей среды. Регулируя эти потоки, можно значительно более дешевым природно-антропогенным способом добиться значительной радиационной стабилизации загрязненной территории.
Цель исследования. Целью диссертационной работы являлось изучение особенностей поведения радиоцезия в различных природных и
антропогенных экосистемах Калужской области за период с 1992 по 2006 годы.
Исходя из цели, были поставлены следующие задачи:
изучить поведение радиоцезия в экосистемах с дерново-подзолистыми супесчаными почвами на двучленных отложениях и оценить масштабы его распределения по профилю почвы в системе ГСЭАЛ и ГСЭЛЛ;
исследовать поведение радиоцезия в экосистемах с дерново-подзолистыми суглинистыми почвами на покровных и моренных отложениях и оценить масштабы его распределения по профилю почвы с учетом элементов геоморфологии антропогенных и естественных экосистем;
оценить масштабы поступления радиоцезия в растения из почв различных экосистем с учетом геоморфологии и плодородия почв;
выявить роль растительных остатков экосистем в биомиграции радиоцезия;
изучить динамику содержания радиоцезия в травостое естественного луга пойм малых рек и молоке скота J11IX и разработать способы снижения поступления радиоцезия в продукцию ЛПХ и СХП;
исследовать процессы аккумуляции радиоцезия в прифермских территориях;
обосновать возможность использования радиоцезия в качестве радиоиндикатора агрогенной трансформации почвенного покрова. Теоретический вклад и научная новизна. На основе многолетних
исследований изучены основные биогеохимические потоки радиоцезия Чернобыльского следа в специфических местных природных и антропогенных экосистемах Калужской области. Дана оценка влияния почвенных и геоморфологических факторов, органических и минеральных компонентов на распределение цезия-137 по почвенному профилю и накопление его в биомассе растений. Обоснована возможность
использования радиоцезия в качестве радиоиндикатора агрогенной трансформации почвенного покрова. Выявлена роль растительных остатков в биомиграции радиоцезия. Изучена миграция радиоцезия в сфере J11IX и разработаны способы снижения содержания радиоцезия в продукции подсобных и частных хозяйств. Установлено депонирование радиоцезия в прифермских территориях.
Практическая значимость результатов исследований. Результаты исследований являются теоретической и экспериментальной основой для оценки последствий радиоактивного загрязнения экосистем Калужской области в отдаленный после Чернобыльской аварии период и корректировки защитных мероприятий. Предложены способы снижения содержания радиоцезия в продукции ЛПХ и СХП. Обоснование радиоиндикационной возможности применения цезия-137 при изучении процессов агропедогенеза может быть использовано при оценке масштабов эрозионных потерь почв загрязненных территорий области.
Результаты диссертационной работы могут быть использованы в учебном процессе ВУЗов страны при преподавании дисциплин: "Сельскохозяйственная радиология", "Радиобиология", "Ведение сельского хозяйства в условиях радиоактивного загрязнения территории", "Экология", "Охрана окружающей среды" и "Почвоведение".
Основные положения диссертации, выносимые на защиту:
результаты исследования поведения радиоцезия в экосистемах с дерново-подзолистыми супесчаными почвами на двучленных отложениях и оценки масштабов его распределения по профилю почвы в системе ГСЭАЛ и ГСЭЛЛ;
особенности поведения радиоцезия в экосистемах с дерново-подзолистыми суглинистыми почвами на покровных и моренных отложениях и масштабы его распределения по профилю почвы с учетом элементов рельефа антропогенных и естественных экосистем;
результаты оценки масштабов поступления радиоцезия в растения из почв различных экосистем с учетом рельефа и плодородия почв;
роль растительных остатков экосистем в биомиграции радиоцезия;
динамика снижения содержания радиоцезия в травостое естественного луга пойм малых рек и молоке скота ЛПХ и способы снижения поступления радиоцезия в продукцию подсобных и частных хозяйств;
накопление радиоцезия в прифермских территориях хозяйств Калужской области;
возможность использования радиоцезия в качестве радиоиндикатора агрогенной трансформации почвенного покрова.
Апробация работы. Основные результаты работы доложены и обсуждены на заседаниях кафедры сельскохозяйственной радиологии и почвоведения КФ РГАУ - МСХА имени К.А.Тимирязева (1998 - 2004 гг.); на научно-практических конференциях КФ РГАУ - МСХА имени К.А.Тимирязева (1999, 2000, 2002, 2004, 2007 гг.); на научной конференции, посвященной 135-летию образования МСХА им. К.А.Тимирязева (г. Москва, 2000 г.); на межрегиональной научно-практической конференции «Бизнес, политика, общество» (г. Калуга, 2004 г.); на международной научно-практической конференции «Чернобыль - 20 лет спустя. Социально-экономические проблемы и перспективы развития пострадавших территорий» (г. Брянск, 2005 г.).
Публикация работ. Основные результаты диссертации опубликованы в 9 печатных работах в виде научных статей, в том числе одна статья в рецензируемом журнале "Плодородие".
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 7 глав, выводов и предложений, списка литературы и приложений. Работа изложена на 202 страницах машинописного текста, содержит 35 рисунков, 42 таблицы, 10 приложений. Список литературы содержит 246 источников, в том числе 41 иностранных.
Автор диссертации выражает благодарность научному руководителю, профессору Сюняеву Н.К., искреннюю признательность коллективам кафедр экологии и радиологии РГАУ - МСХА имени К.А. Тимирязева, ВНИИСХРАЭ, Калужского центра химизации и сельскохозяйственной радиологии за помощь и содействие на различных этапах проведения НИР, сбора информации, подготовки и написания данной работы.
Источники и масштабы современного загрязнения радиоцезием экосистем Калужской области
Все живое на земле на протяжении 4,5 млрд. лет эволюции подвергается постоянному облучению за счет естественных источников ионизирующих излучений. Природный радиационный фон складывается из ионизирующего излучения космических лучей, состоящих из заряженных частиц высокой энергии, гамма-излучения Земли, связанного с содержанием естественных радионуклидов в земной коре, и радиоактивных газообразных элементов, содержащихся в воздухе. Более 84% годовой эффективной эквивалентной дозы, получаемой населением, обеспечивают наземные источники. Самым мощным природным источником радиации является радоновое облучение. Оно составляет половину от всего естественного фона [107]. На территории Калужской области имеются достаточно обширные зоны повышенной радоносности, расположенные практически по всей ее территории.
Широкое использование достижений ядерной физики в различных сферах деятельности человека стало причиной повышения уровня радиации на Земле. Испытания ядерного оружия и техногенные аварии на ядерных установках и атомных электростанциях приводят к непрерывному нарастанию количества радиоактивных веществ в биосфере. Следствием этого является изменение естественного уровня радиации [6,53].
Так, проводимые в середине 60-х годов испытания ядерного оружия в атмосфере, привели к значительному глобальному загрязнению продуктами деления урана всей территории Калужской области. По данным о состоянии радиационной обстановки в до аварийный период уровень у-фона в Калужской области изменялся от 7 до 17 мкР/час. Среднестатистический показатель по данным Госкомгидромета принят равным 10 мкР/час.
Уровень загрязнения почвы радиоцезием колебался от 0,01 Ku/км2 до 0,06 Ки/км2 [30].
На уровень у-фона существенное влияние оказывают атомные электростанции и предприятия, работающие с радиоактивными веществами. По данным государственного комитета по охране окружающей среды Калужской области (1998 г.), на ее территории расположены 55 промышленных предприятий, работающих с различными источниками ионизирующих излучений.
В Козельском районе дислоцируется стратегическая ракетная часть, а в г. Сосенском работает производство тонкодисперсного бериллия.
С 1954 года в Обнинске действовала первая в мире атомная электростанция. Там же расположены крупнейшие радиационные объекты и научно-производственные объединения, отходы которых содержат весомую долю радиоактивных веществ. Существенное влияние на радиоактивную обстановку в Обнинске и области в целом оказывает деятельность физико-энергетического института и филиала научно-исследовательского физико-химического института имени Карпова.
Предприятия в Кировском и Людиновском районах, работающие на угле, также являются источниками дополнительного радиационного загрязнения. На границе с Калужской областью находятся такие крупные радиационно-опасные объекты, как Алексинская ТЭЦ, Черепетская ГРЭС и Смоленская АЭС.
Дополнительное облучение техногенного характера при работе ядерных реакторов в нормальном режиме невелико, не превышает 0,1% годовой дозы облучения за счет естественных источников радиации [45], но может быть весьма значительным при авариях.
Авария на Чернобыльской атомной электростанции по своим масштабам и последствиям является самой крупной экологической катастрофой современности [6]. По официальной точке зрения суммарный выброс радиации составил 50 МКи. В результате взрыва атомного реактора выбросы радиоактивных веществ продолжались длительное время. В атмосферу поступило 23 радиоактивных изотопа. Наибольшая доля в составе выпадения приходится на цезий-137 - 22-33% [6, 135].
На территории Калужской области, расположенной в 450-700 км от Чернобыля, Cs являлся и по настоящее время остается наиболее значимым радионуклидом. В результате аварии десять районов (Ульяновский, Хвастовичский, Жиздринский, Людиновский, Думиничский, Куйбышевский, Кировский, Козельский, Мещевский, Перемышльский) общей площадью 4877 км2 (16,3% территории области) подверглись радиационному загрязнению от 1 до 15 Ки/км2 [34, 35]. В целом радиоактивное загрязнение территории Калужской области носит пятнистый характер. Вместе с тем наиболее полному радиоцезиевому загрязнению подверглась территория 3-х южных районов Калужской области.
По данным радиологических исследований, проведенных центром химизации и сельскохозяйственной радиологии "Калужский" на 01.08.92 г. площадь сельскохозяйственных угодий, загрязненных цезием - 137 более 1 Ku/км2 на территории 10 районов составляет 162 тыс. га [35]. Содержание цезия-137 в почвах области после аварии на ЧАЭС возросло в среднем в 17, а в отдельных случаях в 105 раз. Максимальная плотность загрязнения почв сельскохозяйственных угодий цезием-137 составляет 19,2 Ки/км2.
Авария на Чернобыльской АЭС внесла существенные изменения в радиоэкологическую обстановку территории Калужской области. Так по данным на 29. 05. 86 г. у-фон в г. Калуге составил 30 мкР/час, что в 3 раза превысило до аварийный уровень. В южных районах области было зарегистрировано повышение уровня радиации от 11000 до 12000 мкР/час [178].
Объекты исследования
В качестве объектов исследования нами были выбраны Опытное поле КФ РГАУ - МСХА имени К.А. Тимирязева и КСП "Лесные поляны" Ульяновского района Калужской области, наиболее пострадавшего в результате Чернобыльской катастрофы. На основе сравнения поведения радиоцезия в природных и антропогенных экосистемах с относительно низким и высоким уровнями загрязнения возможно построение общей картины и основных особенностей миграции и трансформации радионуклида на территории и в сфере АПК Калужской области, а также составление перспективного прогноза по разработке защитных мероприятий.
Исследования на Опытном поле КФ РГАУ - МСХА имени К.А. Тимирязева проводились в 1996 - 2001 годы, в КСП "Лесные поляны" с 1992 по 2004 годы, модельные и вегетационные опыты в 1998 - 2004 годах. Характеристика объектов исследования.
Калужская область расположена в центре Восточно-Европейской равнины, в бассейнах рек Верхней Оки и Верхней Десны, на западе Центрального федерального округа, на юго-западе Центрального экономического района. Область занимает территорию площадью 29,9 тыс. км2 [60, 61].
В геологическом отношении область расположена на Евразийской литосферной плите, Восточно-Европейской платформе, Русской плите между Московской синеклизой и Воронежской антеклизой. В строении плиты выделяются два структурных комплекса: нижний кристаллический фундамент, сложенный метаморфическими образованиями, сильно дислоцированными и прорванными интрузиями магматических пород различного состава и возраста; верхний - осадочный чехол мощностью от 300 до 1200 м, представленный горизонтально или слабо наклонно залегающими отложениями рифея, венда, палеозойской, мезозойской и кайнозойской групп. На фоне общего Восточно-северного падения слоев к центру синеклизы, относящейся к структурным элементам первого порядка, развиты структуры второго и третьего порядка (прогибы, депрессии и поднятия) [154].
В орографическом отношении территория области приурочена к северному склону Среднерусской возвышенности и юго-восточным отрогам Смоленско-Московской возвышенности [154].
В физико-географическом отношении на территории области выделяется Брянско-Жиздринское полесье, Барятинско-Сухиничская равнина, Спас-Деменская гряда, Угорско-Протвинская низина, части Среднерусской и Смоленско-Московской возвышенностей. Колебания высот составляет от 113 до 279 м над уровнем моря. В состав области входят три крупные физико-географические провинции.
В климатическом отношении Калужская область находится в зоне переходного климата от мягкого морского Западной Европы к континентальному климату Западной Сибири, в Атлантико-континентальной области умеренного пояса. Расположенная на возвышенной равнине, область одинаково открыта со всех сторон холодным северным и тёплым южным и западным ветрам. В целом климат области умеренно континентальный с чётко выраженными сезонами года. Средняя годовая температура воздуха составляет +4,4 С при среднемесячной температуре июля +18 С и января -10 С. Средняя относительная влажность составляет 79% (минимум в мае -68%, максимум в декабре - 87%). По годовой сумме осадков область относится к зоне достаточного увлажнения - 650 мм/год с колебаниями 550-750 мм (КУ 1). В течение года преобладает преимущественно циклоническая погода, осадки выпадают часто: около половины всех дней в году [192, 154].
Водные ресурсы области представлены поверхностными и подземными водными объектами. Поверхностные воды области включают реки, озёра, водохранилища и болота. Здесь протекает более 2000 рек общей протяжённостью 11670 км, которые выполняют большую геологическую работу по переносу и отложению веществ со стоком, развитию эрозионных процессов. Все реки области относятся к бассейнам Волги (83%) и Днепра (17%). К волжскому бассейну относятся река Ока и её притоки: реки Угра, Жиздра, Протва, Нара, Таруса и др., к днепровскому - реки Болва, Снопоть, Ветьма, Бестань и др. Водораздел между бассейнами проходит по Спас-Деменской гряде, западной окраине Барятинско-Сухиничской равнины и возвышенной части Брянско-Жиздринского полесья. В стоке рек основная доля приходится на талые (60%), затем на грунтовые (30%) и дождевые (10%) воды.
Распределение радиоцезия по почвенному профилю в системе геохимически - сопряженных элементарных агроландшафтов (ГСЭАЛ)
Из литературных данных известно, что в отдаленный после Чернобыльской аварии период основным загрязнителем почв Калужской области является цезий - 137, который полностью распадается приблизительно за 300 лет [6, 135, 177]. Поскольку радиоцезий является биологически опасным и по своему поведению в агроэкосистемах напоминает биофильный элемент калий, то возникает необходимость мониторинга данного радионуклида по трофическим цепям. Основной структурной единицей любого агроландшафта является почва, поэтому поведение радиоцезия в ней в конечном итоге определяет масштабы поступления его в продукцию растениеводства. С этой целью была сделана попытка оценки масштабов распределения радиоцезия по почвенным профилям геоморфологических элементов агроэкосистемы. Результаты исследований представлены на рис. 7 и 8.
Проследив распределение радиоцезия по всем почвенным профилям разрезов агроэкосистемы, можно отметить, что за 15 лет после аварии на Чернобыльской АЭС масштабы миграции радиоцезия по почвенному профилю достигли более значительных глубин (аккумуляция в среднесуглинистой подстилающей породе и глубже 1 м), чем до сих пор было принято в научной литературе (до 20 см) [5, 12, 108, 126].
Этот факт говорит о том, что идет "разбавление" радиоцезия из пахотного слоя почвы агроэкосистемы. Следовательно, его будет меньше поступать в корневую систему сельскохозяйственных растений, так как основная ее масса находится в пахотном слое. В общем-то, такой эффект "разбавления" радиоцезия из пахотного слоя является положительным с точки зрения получения более "чистого" продукта растениеводства. А с другой стороны, возникает другая опасность - возможное загрязнение верховодки и грунтовых вод, а в дальнейшем водоемов и питьевых источников.
В распределении радионуклида по почвенным профилям в большинстве случаев можно выделить два пика накопления: в горизонтах, богатых органическим веществом (Амах, А)), и горизонтах, имеющих тяжелый гранулометрический состав (B,D), что говорит о значении органического вещества и тяжелого гранулометрического состава в аккумуляции радиоцезия.
Из литературных источников известно, что движущими силами, приводящими к вертикальной миграции радионуклидов в почвенном профиле, являются конвективный перенос (фильтрация атмосферных осадков в глубь почвы, капиллярный поток влаги к поверхности в результате испарения), перенос на мигрирующих коллоидных частицах (лессиваж), обусловливающие внутрипочвенный элювиальный (подзолистый) и аккумулятивный (иллювиальный) на некоторой глубине процессы; диффузия свободных и адсорбированных ионов, зависящая от глубины залегания подстилающей среднесуглинистой породы, которая определяет мощность песчаных водно-ледниковых отложений (почвообразующая порода), легко пропускающих вниз водные потоки и растворенные в них вещества, и обладающих малой сорбционной способностью; различные геохимические барьеры (емкость поглощения, сумма обменных оснований, кислотность, содержание гумуса) [5, 6,45].
Проследим, как влияет конвективный перенос, определяющий почвообразовательный процесс, на миграцию радиоцезия на примере генетических горизонтов A j (дернина), Aj (гумусо-элювиальный), Апах (пахотный горизонт), А2 (элювиальный), В (иллювиальный), являющихся характерными для дерново-подзолистого процесса почвообразования.
