Экологическая оценка накопления 137 Cs лесными объектами Архангельской области: почвой, мхами, лишайниками, грибами и ягодами тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 03.02.08, кандидат наук Кубасова Мария Сергеевна

• Кубасова Мария Сергеевна
• кандидат наук
• 2016

Оглавление диссертации кандидат наук Кубасова Мария Сергеевна

ВВЕДЕНИЕ..............................................................................................................................................................4

ГЛАВА 1 ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ..............................................................................................................11

1.1 Общие вопросы радиологии и радиоэкологии ........................................................11

1.2 Природные источники ионизирующей радиации ..................................................12

1.3 Основные источники загрязнения окружающей среды ..................................13

1.4 Состав и формы радионуклидных выпадений из атмосферы ....................16

1.5 Радионуклиды в почвах ................................................................................................................22

1.6 Вовлечение радионуклидов в биологический круговорот ............................23

1.7 Радионуклиды в лесных экосистемах..................................................................................26

1.7.1 Аккумуляция радионуклидов в лишайниках и мхах..........................................28

1.7.2 Аккумуляция радионуклидов в грибах..........................................................................30

1.7.3 Аккумуляция радионуклидов в лесных ягодах....................................................36

1.7.4 Радионуклиды в мясе диких птиц и животных ..................................................38

ГЛАВА 2 ОБЪЕКТ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ......................................................40

2.1 Характеристика объекта исследования..............................................................................40

2.1.1 Рельеф..........................................................................................................................................................41

2.1.2 Почвенный покров............................................................................................................................43

2.1.3 Растительность ....................................................................................................................................44

2.1.4 Климатическая характеристика Архангельской области..............................46

2.2 Методы исследования........................................................................................................................49

ГЛАВА 3 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ ....................................................................57

3.1 Результаты радиологических исследований в отдельных районах Архангельской области..............................................................................................................................57

3.1.1 Мезенский район..................................................................................................................................57

3.1.2 Приморский район..............................................................................................................................58

3.1.3 Пинежский район..............................................................................................................................59

3.1.4 Холмогорский район........................................................................................................................61

3.1.5 Плесецкий район..................................................................................................................................62

3.1.5 Виноградовский район..................................................................................................................64

3.1.6 Верхнетоемский район..................................................................................................................65

3.1.7 Красноборский район....................................................................................................................67

3.1.8 Южные районы....................................................................................................................................68

3.2 Содержание 137Cs в почвах и его вторичная миграция........................................70

3.3 Накопление 137Cs в наземной растительности ............................................................79

137

3.4 Накопление Cs в лесных ягодах ........................................................................................88

137

3.5 Накопление Cs в грибах ............................................................................................................90

ВЫВОДЫ................................................................................................................................................................94

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ..............................................................96

ПРИЛОЖЕНИЯ..................................................................................................................................................113

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Экологическая оценка накопления 137 Cs лесными объектами Архангельской области: почвой, мхами, лишайниками, грибами и ягодами»

ВВЕДЕНИЕ

Одной из основных проблем современной экологии является загрязнение окружающей среды радионуклидами. На севере Европейской части России имеется значительное количество потенциальных источников радиоактивного загрязнения. Одним из важнейших (в прошлом) источников загрязнения в Архангельской области является испытательный полигон "Северный" на архипелаге Новая Земля, на котором в период между 1955 и 1990 гг. было произведено 214 испытаний ядерного оружия. 87 из них были проведены в атмосфере, такие испытания давали наибольшее загрязнение окружающей среды. Воздушные испытания (в период 1957-1962 гг.) проводились в районе полуострова Сухой Нос, подземные (до 1990 г.) - в основном в проливе Маточкин Шар, подводные испытания зарядов малой мощности (1955-1961 гг.) - в Губе Чёрная, на глубине 60 м.

Наиболее интенсивно испытания производились в 1961 и 1962 гг. В

1961 г. над полигоном на высоте 4000 м был произведён самый мощный взрыв термоядерной бомбы, её эквивалент составил около 50-60 Мт. После

1962 г., вследствие моратория, а потом и заключения договора о запрете испытаний в трёх средах, атмосферные и наземные взрывы на Новоземельском полигоне больше не производились.

В Северодвинске (Архангельская обл.) - центре атомного судостроения, а также на базах атомных подводных лодок Северного флота на Кольском полуострове (Мурманская обл.) сосредоточено большое число объектов и предприятий по строительству, обслуживанию и утилизации АПЛ. Имеется здесь и множество мест выдержки или захоронения радиоактивных отходов.

Не стоит забывать и о Кольской атомной электростанции с 4 реакторами типа ВВЭР, расположенной в пос. Полярные Зори (Мурманская обл.). Запланировано строительство Кольской АЭС -2, предположительно в районе Кунчаст-губы озера Имандра. Строятся новые блоки на другой

северной АЭС - Калининской (г. Удомля Тверской обл.).

Вышесказанное определяет необходимость изучения миграции и аккумуляции техногенных радионуклидов в природных экосистемах.

137

Мониторинг содержания Сб в съедобных грибах и дикорастущих ягодах поможет выявить поля радиоактивного загрязнения и их трансформацию на северных территориях. Ряд исследователей полагает, что изучение вопросов радиоэкологии необходимо не только в непосредственной близости от радиационно опасных объектов, но и на региональном уровне Северных территорий, куда входит и Архангельская область (Борисенко, 2007; Воробьева, 2012).

В этом отношении немаловажно мнение международного Чернобыльского Форума (2008). В окончательном заключении Форума

137

отмечается: "Особенно высокие концентрации Сб были обнаружены в грибах, ягодах и дичи, и эти высокие уровни сохраняются со времени аварии". В отношении основных текущих задач Чернобыльский Форум предлагает "проводить постоянный долгосрочный мониторинг специфических лесных продуктов, таких как грибы, ягоды и дичь". Там же даны рекомендации и в отношении целесообразности дальнейших исследований и мониторинга, в частности, Форум считает полезным "определить механизмы поведения радионуклидов в менее изученных экосистемах, например, роль грибов в лесах".

При постановке задач исследования нами, безусловно, учитывалось и важное значение грибов и ягод в традиционном рационе жителей Русского Севера.

Из литературы известно (Нифонтова, 1991; Кожевникова, 1993; Кадука, 2001; Памятка для населения..., 2001; Зарубина, 2006; Коробова, 2006; Переволоцкий, 2006; Лурье, 2007), что многие из высших грибов и некоторые из дикорастущих ягод проявляют способность к избирательной аккумуляции

137

Сб. Предположительно это может быть связано со сравнительно высоким содержанием в них калия, который, как известно, является химическим

аналогом цезия. Важное значение имеет, по-видимому, и характер почв (преимущественно кислых) в местах предпочтительного произрастания кустарничков семейства брусничных (вересковых) - черники, голубики, брусники и клюквы.

В число объектов исследования включены также мхи и лишайники, являющиеся биоиндикаторными растениями в силу особенностей их питания (преимущественно из атмосферной влаги), очень медленного роста и весьма продолжительного нахождения на одном и том же месте.

Степень разработанности темы. Следует признать, что загрязнённость лесных экосистем изучена в Архангельской области, как и в соседних областях, довольно слабо, имеются лишь единичные сообщения по теме из отдельных районов области. Мало исследовано содержание радиоцезия в побочной продукции леса (грибах, ягодах), которые традиционно входят в рацион питания местного населения. Очень мало

137

известно (для данного региона) современное содержание Cs во мхах, лишайниках и других объектах, которые обычно используются в целях биоиндикации радионуклидного загрязнения.

Цель и задачи исследования. Цель исследования - экологическая

137

оценка аккумуляции и закономерности распределения Cs в лесных биообъектах - почве, мхах, лишайниках, грибах и ягодах.

Для достижения цели были определены следующие задачи исследования:

1. Определение содержания экологически значимого радионуклида

137

Сб в различных слоях почвы (0-5, 5-10 и 10-20 см), а также по элементам ландшафта;

137

2. Определение содержания Сб в мхах, лишайниках, грибах и ягодах;

3. Проведение спектрометрических измерений при крайне низких

137

уровнях содержания Cs в природных объектах;

4. Проведение сравнительного анализа накопления Cs в лесных пищевых продуктах (ягоды, грибы) и оценка их безопасности как пищевых продуктов;

5. Выявление объектов, которые могут быть использованы в целях биоиндикации радиоактивного загрязнения.

Научная новизна. На период 2009 - 2014 гг. проведена экологическая

137

оценка накопления Сб в лесных объектах в 12 районах Архангельской

137

области. При исследовании распределения Cs по почвам и элементам рельефа выявлены редко наблюдаемые и мало изученные (в лесах зоны северной тайги) проявления вертикальной и латеральной миграции

137

радионуклида. В результате исследований современного содержания Cs в типичных видах лишайников, мхов и другой растительности напочвенного покрова найдено, что для целей биоиндикации радионуклидного загрязнения в настоящее время наиболее эффективно использование (в порядке предпочтительности): грибов-базидиомицетов > мхов > лишайников (в

137

соответствии со степенью накопления Cs в этих биообъектах).

Теоретическая и практическая и значимость работы. Результаты

137

исследований выявили уровни количественного содержания Cs в элементах лесных экосистем в значительном числе районов центральной части Архангельской области на период первой половины 2010-х годов. Полученные данные дополняют и развивают существующие представления о радиоэкологической обстановке изучаемых территорий: о распределении

137

Cs в элементах лесных экосистем зоны северной тайги и о выраженности миграционных процессов, которые привели к перераспределению радионуклида по прошествии 30-50 лет после выпадения из атмосферы. Выявленные уровни загрязнения типичных лесных ягод и съедобных грибов, далеко отстоящие от действующих нормативов, подтверждают отсутствие в настоящее время необходимости радиоэкологического контроля этих продуктов. Однако, большую экологическую практическую значимость имеют наблюдения, касающиеся выбора биообъектов для выявлении и

мониторинга техногенного радиоактивного загрязнения на северных территориях. Установлено, что для северных лесных территорий в настоящее время наиболее эффективными биоиндикаторами являются грибы-базидиомицеты, а не лишайники и мхи, которые ранее использовались для этих целей.

Выполненное исследование показало отсутствие значимого загрязнения в большей части лесов Архангельской области, что подтверждает безопасность использования побочной продукции леса. При этом исследование позволило получить также ряд научно значимых результатов из области радиоэкологии - по вопросам характера поведения радионуклидов в природных средах.

Методология и методы диссертационного исследования. Основная

137

сложность исследования состояла в крайне низких уровнях содержания Сб в природных объектах. Возможность выполнения такого рода исследований требует применения аппаратуры с повышенной чувствительностью. Приборы для измерения радиоактивности, которые позволяют повысить чувствительность измерений за счёт увеличения массы проб (например, использующие сосуды Маринелли объёмом 1 л), в данном случае неудобны, т.к. связаны с вывозом и доставкой в лабораторию образцов с большой общей массой. Особенно сложно это в удалённых районах, с плохо развитой дорожной системой.

Другой способ повысить чувствительность измерений - использование автоматических приборов со сменщиком проб, работающих по набору импульсов в течение продолжительного времени измерения. Нами был использован автоматический сцинтилляционный спектрометр с детектором увеличенного размера, который позволяет проводить измерения в сравнительно небольших пробах (порядка 20-25 см по объёму), не создающих серьёзных проблем с доставкой их в лабораторию даже при значительном общем количестве образцов.

1. Установление современных уровней содержания Cs в почвах и наземном растительном покрове лесных экосистем Архангельской области.

2. Наиболее вероятными источниками слабо выраженных радиоактивных выпадений в Архангельской области являются атмосферные испытания ядерного оружия на Новоземельском полигоне (преимущественно в приморских районах области) и два факела Чернобыльского происхождения (в континентальных районах).

3. На склоновых лесных ландшафтах выявлено действие процессов

137

эрозионного вымывания Cs с участков, расположенных на возвышениях, и переотложения его вниз по склону и в понижениях.

4. В современный, удалённый по времени период после аэральных выпадений, для целей биоиндикации загрязнений наиболее целесообразно использование в качестве биообъекта грибов-базидиомицетов (преимущественно симбиотрофного типа питания).

Степень достоверности и апробация результатов. Степень достоверности полученных результатов определяется применением высокочувствительной и высокоточной аппаратуры для определения содержания радиоцезия на уровнях фоновых удельных активностей, а также выбором необходимого числа повторностей при выполнении измерений. Исследование выполнено на основе большого числа (340) проб, доставленных в лабораторию из мест исследования.

Благоприятным обстоятельством исследований стало то, что общая продолжительность работ составила 6 лет (2009-2014 гг.), что несколько скомпенсировало высокую сезонную вариабельность по размерам накопления радионуклида в таких объектах, какими признаны грибы.

Все приводимые результаты обработаны статистически. Для математической и статистической обработки результатов исследований использовались компьютерная программа Exel и программа STAT на калькуляторе научного класса (Рачинский и др., 2006).

Материалы исследований по теме докладывались и обсуждались на заседаниях кафедры агрономической, биологической химии, радиологии и безопасности жизнедеятельности (2012, 2013, 2014, 2015); представлялись на Международных научных конференциях: Научная конференция молодых ученых и специалистов РГАУ-МСХА (5-6 июня 2013 г.), XVII Докучаевские молодежные чтения (3-6 марта 2014 г.), Молодые ученые в решении актуальных проблем науки (14-15 мая 2015 г.), V международная молодежная научная конференция Экология - 2015 (22-24 сентября 2015 г.).

Публикации. По результатам исследования опубликовано 8 научных работ, из них 3 - в изданиях, которые включены в перечень журналов, рекомендуемых ВАК.

Структура и объем диссертации. Диссертация изложена на 125 страницах, иллюстрирована 34 рисунками, содержит 14 таблиц. Работа состоит из введения, трех глав, выводов и списка литературы, содержащего 167 источников, из них 49 - на иностранных языках.

Выражение благодарности. Автор выражает большую благодарность профессору, доктору биологических наук Александру Александровичу Лурье. Без его постоянной помощи и поддержки работа вряд ли бы состоялась.

Глава 1 Обзор литературы

1.1 Общие вопросы радиологии и радиоэкологии

Предметом радиоэкологии является изучение поведения радиоактивных элементов, естественных и искусственных (т.е. техногенных), в окружающей среде. Другой аспект радиологии (и радиоэкологии) состоит в возможном воздействии ионизирующей радиации в отношении биологических объектов, однако, происходит это при весьма больших превышениях уровней радиации по сравнению с обычными, так называемыми фоновыми, уровнями. Биологическое воздействие естественной радиоактивности становится заметным при уровнях, не менее чем на 1 -2 порядка выше фонового (чаще всего, это объекты с так называемым «техногенно-изменённым фоном», например, радиационные аномалии в республиках Коми и Саха-Якутии). Искусственная радиоактивность связана с попаданием в окружающую среду техногенных радионуклидов, например в связи с испытаниями ядерного оружия или авариями на ядерных объектах (например, на ядерных реакторах -исследовательских или энергетических). Проявления биологического воздействия на живые организмы становятся существенными только на наиболее загрязнённых территориях, таких как 30 -км зона отчуждения ЧАЭС или головная часть Восточно-Уральского радиоактивного следа (ВУРС), образовавшихся при крупнейших в истории человечества Чернобыльской (1986 г.) и Кыштымской (1957 г.) авариях.

Радиоактивность и ионизирующие излучения существовали задолго до зарождения жизни на Земле и присутствовали в Космосе до возникновения самой Солнечной системы (Белоусова, Штукенберг, 1961; Кузин, 1991). Ионизирующее излучение сопровождало Большой взрыв, с которого, как полагают, началось существование нашей Вселенной около 20 миллиардов

лет назад. С того времени радиация постоянно наполняет наше пространство. Радиоактивные элементы вошли в состав Земли с самого её зарождения (Жизнь и радиация, 1993). Высокая устойчивость живых организмов к действию радиации связана именно с тем, что естественный радиационный фон всегда существовал на Земле и за многие миллионы лет развития жизни стал одним из неотъемлемых физических факторов среды обитания живых существ, а также, по-видимому, и главной причиной возникновения жизни на Земле (Кузин, 1991).

Нестабильные радиоактивные элементы способны к радиоактивному распаду, т.е. к самопроизвольным внутренним перестройкам атомного ядра, которые сопровождаются испусканием тех или иных ядерных частиц.

Ионизирующим называется излучение, лишь в том случае, когда прохождение его через вещество (материю) приводит к ионизации и возбуждению атомов или молекул среды (Алексеев и др., 2002).

Излучение, состоящее из потока заряженных частиц (а-, в- частиц), кинетическая энергия которых достаточна для ионизации атомов при столкновении, относится к классу непосредственно ионизирующего излучения. Нейтроны и фотоны непосредственно не производят ионизацию, но в процессе взаимодействия со средой высвобождают заряженные частицы (вторичные электроны, ядра отдачи), которые в свою очередь способны ионизировать атомы и молекулы среды, через которую они проходят. Соответственно, корпускулярное излучение высоких энергий, состоящее из потока незаряженных частиц, называют косвенно ионизирующим излучением.

1.2 Природные источники ионизирующей радиации

Естественные источники ионизирующей радиации можно разделить на две основные категории - земного и космического происхождения. К первой категории относятся излучения от природных радиоактивных элементов

земной коры, ко второй - космические излучения, приходящие на Землю из дальнего космоса, а также радиоактивность некоторых "космогенных" радионуклидов, образующихся в верхних слоях атмосферы под действием космических излучений.

Космическое излучение представляет собой поток частиц (протонов и ядер некоторых лёгких элементов), обладающих очень высокой энергией и соответственно очень высокой проникающей способностью во всех средах, но земная атмосфера все же значительно ослабляет общую интенсивность потока, и у поверхности Земли она примерно в 50 раз меньше, чем на высоте 20 км.

Естественная радиоактивность земного происхождения в основном

Г 40т/- 222™ 226^ 232^1 238тт

образуется за счет K, Rn, Ra, Th и U.

Важнейшим из естественно-радиоактивных элементов является калий по причине его широкой распространённости.

Второй по значимости источник естественной радиоактивности -

природные радиоактивные элементы семейств урана (238) и тория (232).

222

Радон Rn - газообразный продукт радиоактивного альфа-распада, образующийся из 226Ra (семейство 238и). Радон не даёт внешнего излучения, но, тем не менее, обеспечивает более половины (50-55%) суммарной дозы человека за счёт внутреннего облучения, в том числе и за счёт излучения его дочерних продуктов - 210РЬ, 210Ро и др. (Доклад НКДАР ООН, 2000).

1.3 Основные источники загрязнения окружающей среды

Главными действующими или потенциальными источниками загрязнения окружающей среды искусственными радиоактивными изотопами являются:

1. Ядерные взрывы в военных или мирных целях (в настоящее время соблюдается мораторий на испытания ядерного оружия и выполнение других ядерных взрывов);

2. Аварии на ядерных объектах различного назначения (наибольшую опасность представляют аварии на крупных энергетических реакторах);

3. Постоянно накапливающиеся отходы атомной промышленности, атомного флота, различных отраслей науки и медицины - отработанное ядерное топливо (ОЯТ) и радиоактивные отходы (РАО) различного происхождения;

4. Неосторожность при использовании радиоактивных материалов и источников в различных областях хозяйства, промышленности, науки и медицины (Фокин и др., 2011).

За период с 1945 по 1996 гг. в мире было произведено более 2000 испытаний ядерного оружия, 718 из которых выполнено в СССР. В Архангельской области источником загрязнения окружающей среды в результате ядерных испытаний явился полигон "Северный" на Новой Земле. Всего на Новоземельском полигоне проведено 214 испытаний ядерного оружия, из них 87 испытаний были атмосферными, то есть такими, которые приводят к наибольшему загрязнению окружающей среды. В 1961 - 1962 гг. на Новой Земле были проведены испытания шести термоядерных зарядов мощностью более 10 Мт тротилового эквивалента.

Кроме того, за период с 1964 по 1989 гг. в СССР было проведено 156 промышленных подземных ядерных взрывов (для целей сейсморазведки, интенсификации газо- и нефтеотдачи на промыслах, создания крупных подземных емкостей для хранения углеводородного топлива или для захоронения биологически опасных отходов, перекрытия скважин аварийных газовых фонтанов, создания траншей и плотин хвостохранилищ и т.д.). Наибольшее количество «мирных» ядерных взрывов выполнено в Казахстане (30), Астраханской области (15), Якутии (12), Красноярском крае (9), Пермской обл. (8), Тюменской обл. (8), Башкирии (7), Оренбурской обл. (5) (Лурье, 2007). На объекте «Днепр» ОАО «Апатит» в г. Кировске хранятся продукты, образовавшиеся при трёх промышленных взрывах - это около 400

тыс. тонн апатитнефелиновой руды и другие РАО (Обеспечение радиационной безопасности ..., 2007).

Крупными и плохо контролируемыми источниками радиационного загрязнения являются аварии на предприятиях ядерной промышленности. В результате аварии на ЧАЭС загрязненными оказались обширные территории в Белоруссии, России, Украине, а также, в значительно меньшей степени, в Польше, Румынии, Югославии, Скандинавских странах (Атлас загрязнения

137

Европы., 1998). Общая площадь загрязнения почв Европы Cs плотностью

2 2 свыше 1 Ки/км достигла 204,1-207,5 тыс. км , в том числе России - 56,522 59,6 тыс. км , Республики Беларусь - 43,5-46,45 тыс. км и Украины - 37,641,84 тыс. км2 (Белов, №2).

Также множество проблем связано с атомными ВМС. К примеру, в августе 1985 г. произошла крупная авария в бухте Чажма (Шкотово-2) в заливе Петра Великого вблизи Владивостока: при перегрузке реакторного топлива с атомной подводной лодки произошел мощный взрыв, приведший к загрязнению кораблей, причалов и береговой территории на площади около 3 км и дальностью до 30 км. Сходная авария произошла в Северодвинске в январе 1965 г. (на АПЛ К-11).

В советские времена в море несанкционированно затоплено 12 реакторов с выгруженным ядерным топливом (из них 9 - у архипелага Новая Земля, и 3 - на Дальнем Востоке; и ещё 6 аварийных реакторов с невыгруженным ядерным топливом - у Новой Земли. В Арктических морях с 1961 по 1990 гг. затоплено более 12 000 контейнеров с радиоактивными отходами (РАО). Суммарная активность РАО в период с конца 1950-х до 1992 г. составила 2,5 МКи. Помимо контейнеров, было затоплено 13 реакторов аварийных АПЛ, 3 реактора и топливная сборка атомного ледокола "Ленин". Основное место захоронения - восточная часть шельфа архипелага Новая Земля. Кроме того, в разные годы в результате аварий в открытом море затонули 7 советских АПЛ вместе с реакторами.

Очень напряжённо стоит проблема утилизации снятых с эксплуатации

АПЛ в связи с истечением срока службы, который составляет примерно 3040 лет. Всего к 2003 г. в СССР было построено 248 АПЛ (с 449 реакторами). Уже к концу 2003 г. 193 АПЛ было выведено из эксплуатации, а утилизировано из них - чуть больше половины. Из-за сложностей демонтажа радиоактивно-загрязнённого оборудования множество списанных АПЛ длительное время находятся в пунктах отстоя на базах Северного флота в Андреевой губе, Гаджиево, Видяево, Росляково, Гремихе, Оленьей, Сайда-губе (Мурманская обл.) и на судоверфи АПЛ в Северодвинске (Архангельская область). Там же сосредоточено большое количество хранилищ РАО. Утилизация списанных АПЛ производится на судоремонтных заводах "Шквал" (г. Полярный), "Нерпа" (г. Снежногорск) и "Звёздочка" (Северодвинск). На промышленных площадках береговых технических баз Северного флота имеются сильно загрязнённые участки (в основном загрязнение Cs, иногда

1.4 Состав и формы радионуклидных выпадений из атмосферы

Искусственные радиоактивные изотопы являются источниками техногенного загрязнения биосферы. Среди них наибольшее значение имеют так называемые осколочные радионуклиды, образующиеся в результате

235 239

цепной ядерной реакции из U или Pu при бомбардировке их нейтронами.

Из более чем 200 продуктов цепной реакции наибольшее число образующихся радионуклидов являются короткоживущими, которые быстро распадаются уже в первые часы и дни. Именно поэтому суммарная радиоактивность продуктов деления довольно быстро падает после выброса в окружающую среду. Быстро распадается и изотоп 133Xe, относящийся к группе инертных радиоактивных газов. Он преобладает в выбросах, но распадается с периодом полураспада чуть больше 5 суток и, кроме того, быстро рассеивается в воздухе.

Ещё один продукт деления, радиоиод 1311 с Т1/2 = 8 сут., имеет чрезвычайно высокое значение из-за его очень большой биофильности. Включение радиоиода в вегетирующие травы в течение первых нескольких недель после аварии приводит к значительному загрязнению кормов сельскохозяйственных животных и, соответственно, к получению загрязнённого молока. Человек при этом может получить существенное

131

повреждение организма от концентрирования I в щитовидной железе. К такому же эффекту может привести и попадание радиоиода через вдыхаемый воздух.

Несколько радионуклидов со значениями периодов полураспада до 2

/1400 , 140т 141^ 103^ 95 7 , 144^ ,144™ 106™ , 106™и

лет ( Ва+ Ьа, Се, Ru, лг+ Nb, Се+ Рг, Ru+ Rn и, особенно, 134Сб) продолжают оставаться актуальными для радиологического контроля ещё несколько лет после аварии.

Наиболее существенными с точки зрения загрязнения окружающей

137 90

среды являются два долгоживущих радионуклида, Сб и Бг (период полураспада около 30 лет). Их значение определяется в первую очередь тем, что они являются химическими аналогами важных биогенных элементов - К

137 90

(в случае Сб) и Са и М^ (в случае Бг).

Остановимся на этих двух радионуклидах, содержание которых в природных объектах и продуктах представляет наибольшее значение с точки зрения нормативов радиоактивного загрязнения (ВДУ-93; ГОСТ Р 50801-95; Закон РФ № 7-ФЗ /Об охране окружающей среды/; Лесной кодекс РФ, 2006; Методические рекомендации по регламентации., 2009; МУ 13.5.13-00; НРБ-99/2009; СанПиН 2.3.2.1078-01; СП 2.6.1.759-99).

Стронций-90 является чистым в-излучателем с максимальной энергией излучения всего 0,55 МэВ, т.е. имеет сравнительно малопроникающее

Г\ 90 о 90 о 90Лг 90г-7

излучение. Однако распад Ьг, по схеме Ьг ^ У ^ /г, всегда сопровождается более жёстким излучением от дочернего радиоактивного изотопа 90У с максимальной энергией 2,28 МэВ. В условиях ненарушенного

90 90

равновесия детектируется именно У (последний в этой цепочке изотоп Zr является нерадиоактивным продуктом).

С точки зрения эффективности детектирования изотопы (9<^г + 9<^), как в-излучатели, существенно уступают у-излучающим изотопам (к

137

которым, в частности, относится и Сб). В довольно частом случае, когда

137 90

основными загрязнителями в очаге являются одновременно Сб и Sr,

137

исследователям проще вести мониторинг загрязнения по Сб, так как детектирование по в-излучению (9<^г) не позволяет выполнять идентификацию радионуклида-загрязнителя, а также серьёзно снижают точность измерений из-за эффекта «самопоглощения».

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Кубасова Мария Сергеевна, 2016 год

почвы

По растительности Архангельская область целиком входит в природную зону тайги, которая здесь подразделяется на подзоны с размытыми переходами и потому несколько неопределенными границами: подзона северной тайги (севернее 64-65-й параллели), средней тайги (основная часть области) и южной тайги (район Коноши).

Возможна градация архангельских лесов на западную и восточную тайгу по преобладанию сибирских (сибирская пихта, лиственница) или западноевропейских растительных форм.

Самая распространенная порода архангельских лесов - ель (65%). Лучшими считаются ельники-зеленомошники, где над сплошным моховым покровом поднимаются черника, брусника, а подлесок почти отсутствует. В несколько более заболоченных местах - ельники-долгомошники с мощным покровом из мха кукушкин лен, в местах с худшим дренажем - сфагновые ельники (рисунок 3, 4).

Сосновые леса, оттесненные елью в менее благоприятные места, составляют 20% древостоя края и образуют ряд типов, подобных ельникам, от самых продуктивных боров-зеленомошников до сухих боров на песчаных террасах и сфагновых сосняков на болотах. Пихта и лиственница в значительных количествах имеются только на востоке области.

Местные жители дали этим лесам выразительные названия. Так, леса по сухим местам ("по суходолу") они делят на "холмовую ровнядь" - ельник, "бор-остров", или "жаровый лес", - высококачественный сосняк, "бор-смолье" - суковатый сосняк с примесями, "новину", "чищебу", реже "пильник" - вторичную березу, осину, ольху на месте выгоревшего леса. Растительность по сырым местам ("сырники") известна здесь как "сорга" -смешанный заболоченный лес, "конурник" - редкая корявая ель по кочкам, "кукольник" - густой мелкий ельник, "рада" - моховое болото с редким сосновым древостоем, "сурадок"- переход от болота к сосняку.

Рисунок 3 - Хвойный лес (Пинежский район)

Преобладание перестойных деревьев, захламляющих леса в удаленных от вывозных путей районах, неблагоприятно сказывается на санитарном состоянии архангельских лесов. Этому способствует значительная ветровальность из-за повышенной влажности почв и поверхностной корневой системы елей.

Рисунок 4 - Сосняк (Шенкурский район)

2.1.4 Климатическая характеристика Архангельской области

Территория Архангельской области расположена в трех климатических поясах: арктическом, субарктическом и умеренном. С этим связаны большие различия в поступлении солнечной радиации и термическом режиме. С запада на восток вся территория области (вместе с Ненецким автономным округом) протянулась почти на 30 градусов по долготе; на ее западные районы интенсивно воздействуют циклоны, поступающие преимущественно с запада, со стороны Атлантического океана (особенно осенью и зимой) и, следовательно, морские (атлантические) воздушные массы, тогда как на востоке преобладает влияние континентального воздуха (Атлас Архангельской области, 1976).

Совокупность перечисленных выше факторов создает в области более суровые климатические условия в северных и северо-восточных районах, более мягкие - в западных, и более континентальные - в восточных (Агроклиматический справочник., 1961).

Со стороны Сибири зимой обычно приходит антициклональная морозная и ясная погода. С юга и юго-востока поступают преимущественно континентальные массы воздуха, охлажденные зимой и прогретые летом.

Характерной особенностью ветрового режима в районе Архангельска является отчетливо выраженная в годовом ходе сезонная смена ветров преобладающих направлений. Зимой преобладают юго-западные и юго-восточные ветры. Максимальные скорости ветра (более 20 м/с) бывают в течение всего года при северных и западных направлениях (Швер, 1982).

Температура воздуха в летний период зависит от уровня солнечной радиации, поэтому закономерно повышается с севера на юг, обнаруживая четкую зональность. В холодную половину года основным фактором температурного режима является перенос тепла с Атлантики, поэтому температуры понижаются с запада на восток (Атлас Архангельской области, 1976).

Продолжительность активной вегетации растений 3 месяца (с начала июня до начала сентября). Безморозный период длится около 4 месяцев (с конца мая до конца сентября).

В среднем за год в районе Архангельска отмечается 201 день с осадками. Их сумма за этот период составляет 460 - 530 мм, что намного превышает испарение, поэтому территория избыточно увлажнена. Интенсивность осадков в этом районе определяется активной циклонической деятельностью. На теплый период (апрель - октябрь) приходится 70 % выпавшего за год количества осадков. В годовом ходе отмечается два максимума осадков - в июле и сентябре (55 - 62 мм). Средняя продолжительность сохранения снежного покрова составляет 170 - 180 дней. Наибольшая высота снежного покрова отмечается во второй декаде марта -

40 - 60 см. Разрушение устойчивого снежного покрова происходит в среднем в начале третьей декады апреля (Швер, 1982).

Наступление весны (дата перехода среднесуточной температуры через 00) в южных районах области начинается в конце первой декады апреля. При постепенном продвижении к северу, в Архангельск и Пинегу она приходит около 20 апреля, а в Мезень 29 апреля.

Вегетация растительности начинается с переходом температуры

о

воздуха через +5 (в южных районах - в конце третьей декады апреля, на широте Архангельска и Пинеги - около середины мая, в Мезени - около 24 мая).

Продолжительность всего вегетационного периода со средними

о

суточными температурами выше 5 составляет в среднем в южных районах 150-155 дней и 120-125 - в северных. Сумма положительных средних суточных температур за этот период понижается с юга на север (в Вельске

о о

она равна 1980 , в Мезени -1290 ).

Годовые суммы осадков на большей части территории составляют в среднем около 500 мм водяного столба при 200-213 днях с осадками за год.

Несмотря на сравнительно невысокие годовые суммы осадков, на данной территории создается переувлажненность почвы, так как солнечного тепла, поступающего на поверхность земли, здесь меньше того количества, которое необходимо для испарения осадков, выпадающих за год.

2.1.5 Радиологическая обстановка в Архангельской области

В целом радиационная обстановка на территории Архангельской области признаётся благоприятной (Радиационная обстановка на территории Архангельской области в 2010 г.).

В списке 19 областей Российской Федерации, оказавшихся в той или иной степени загрязнёнными вследствие аварии на Чернобыльской АЭС, Архангельской области нет, но нет и утверждения, что Архангельской

области чернобыльские аварийные выбросы вообще не достигли. Включение в список загрязнённых территорий ограничено по пределу, при котором

2 137

земли признаются радиоактивно загрязнёнными - это 1 Ки/км по Cs. В частности, по данным Минприроды РФ на конец 1993 г., загрязнения в пределах от 0,4 до 1 ,0 Ки/км2 установлены для некоторых территорий Новгородской и Тверской областей, от 0,2 до 0,3 Ки/км2 - для Карелии, от 0,1 до 0,2 Ки/км2 - для Костромской, Калининградской, Ростовской, Астраханской областей и Калмыкии. Ещё на 17 территориях Европейской части России (в том числе в областях Архангельской, Мурманской, Владимирской, Вологодской, Московской, Ярославской и ряда других) уровень загрязнения определён равным менее 0,1 Ки/км . В докладе Роспотребнадзора по Архангельской области за 2011 г. указаны средняя

137 2

поверхностная плотность загрязнения по Сб 0,009 Ки/км и среднее

137

содержание Cs в почвах области - 3,5 Бк/кг

(eco29.ru/monitoring_files/radiation_situation).

2.2 Методы исследования

В период от 2009 до 2014 гг. нами было проведено выборочное обследование в 22 точках из 12 районов Архангельской области (и дополнительно - в 1 точке на р. Печора в Усть-Цилемском районе Республики Коми). Карта-схема размещения точек отбора проб показана на рисунке 5.

Основными объектами исследования являлись лесные подстилки и почвы, а также грибы, ягоды и некоторые растения, используемые в качестве биоиндикаторов радиоактивного загрязнения местности - мхи и лишайники (рисунки 6 - 8).

Отбор проб, их подготовка и последующее выполнение измерений радиоактивности проводились в соответствии с нормативными документами (ГОСТ 17.4.3.01-83; ГОСТ Р 50801-95; ГОСТ Р 54038-2010; ГОСТ Р 54040-

2010; Методика выполнения гамма-спектрометрических измерений., 1994; МУ 2.6.1.717-98; Марадудин, 2003).

Отобранные образцы высушивались до воздушно-сухого состояния, из почвенных проб отделяли инородные включения (корешки, камешки, веточки).

Рисунок 5 - Карта-схема мест отбора проб

Рисунок 6 - Виды исследованных грибов

Рисунок 7 - Виды исследованных ягод

Рисунок 8 - Виды исследованных мхов и лишайников

137

Содержание Cs (измерение радиоактивности образцов) определялось в лабораторных условиях с помощью современного сцинтилляционного у -спектрометра модели Wizard 2480 (рисунок 9) совместного производства Perkin-Elmer (США) и Wallac Oy (Финляндия); прибор оснащён высокочувствительным 3-дюймовым кристаллом Nal (Tl) колодезного типа. Измерения выполнялись в

137

счётном режиме по каналам, соответствующим основной линии у-спектра Cs -по энергии 662 кэВ. Фон вычитается автоматически по каждому из каналов окна.

Устройство прибора позволяет проводить автоматические измерения активности в полиэтиленовых флаконах объёмом 24 см .

После взвешивания на электронных весах флаконы с пробами помещали в полиэтиленовые холдеры, а затем переносили на конвейер сменщика проб в кассетах по 5 флаконов (рисунки 10-11). При подходе кассеты к измерительному блоку светодиодный луч считывает номер кассеты и номер заданной программы измерения, записанные на штрих-коде, и затем каждая проба (в холдере с флаконом) загружается последовательно в блок детектирования для выполнения

Рисунок 9 - Сцинтилляционный у-спектрометр Wizard 2480.

Рисунки 10-11 - Взвешивание и загрузка проб в измерительные кассеты

Для повышения чувствительности и точности измерений тестируемый материал необходимо уплотнять до максимального значения массы, которая составляла, в зависимости от плотности материала: у минеральной почвы - до 3040 г; лесной подстилки - до 8-11 г; растительных образцах (мхах и лишайниках) -

до 8-9 г; ягодах высушенных - до 15-20 г; грибах сушёных - 12-16 г (сопоставьте это с положением ГОСТа 17.4.3.01-83, по которому масса измерительной пробы должна быть не менее 1 кг).

Измерения на спектрометре выполнялись в режиме счёта в фиксированном

137

окне, соответствующем основной линии спектра у-излучения Cs - 662 кэВ, по набору заданного времени. В результаты измерений вносились необходимые поправки. Во-первых, поправка на фон: на спектрометре Wizard, в соответствии со счётной программой, она производится путём вычитания числа фоновых импульсов в каждом из задействованных каналов спектра, которые записаны в память прибора при выполнении процедуры нормализации измерений. Из-за недостаточной временной стабильности спектрометра такой алгоритм вычитания фона может приводить к некоторым неточностям. Даже при измерении заведомо фоновой активности (то есть в пустых флаконах) можно получить отрицательные результаты, которые говорят о некотором завышении записанных значений фона по сравнению с реальными. При относительно высоких активностях это почти незаметно. Но при измерении малых активностей, ненамного превышающих фоновые, в результаты необходимо вводить дополнительную поправку по результатам "0-теста", который состоял в определении среднего значения фоновой скорости счёта по измерениям в 30 -40 пустых флаконах. Эта поправка актуальна в течение нескольких дней, когда выполняются измерения активности в данной серии проб; позднее поправка из-за смещения спектра может измениться, что потребует выполнения нового «0-теста».

Оценка неточности определения радиоактивности (скорости счёта) производится он-лайн встроенным в прибор компьютером в соответствии со статистикой Пуассона. Общую ошибку измерений можно значительно уменьшить при использовании повторных измерительных проб из одного образца (или повторных измерений единственной пробы), теперь уже оценивая ошибку результата согласно Гауссовской статистики. Статистические расчёты выполнялись на компьютере с помощью программы Excel или на калькуляторе с использованием программы STAT (Рачинский и др., 2006).

Окончательно значения удельной активности (в Бк/кг сухой массы) рассчитывались с учётом массы пробы и известной эффективности счёта на

137

приборе (33,0% для Сб). В Приложениях (Приложение 1 и 2) показаны фрагменты выходных распечаток со спектрометра и расчётных таблиц по пробам.

Время измерения (набора импульсов) устанавливалось в 60 или 100 мин., повторность измерений в пробах из каждого образца составляла чаще всего от 2 до 5 (при наличии необходимого количества материала). В таких условиях прибор

137

обеспечивает надёжное и достаточно точное измерение активности Cs в природных объектах на уровне глобальных фоновых значений. Относительная

137

стандартная ошибка определений Сб в большинстве случаев составляла: для проб мхов и лишайников - от 5 до 20 %, для ягод - от 10 до 20 %, для грибов - от 3 до 5 %, для проб лесной подстилки - от 5 до 12 %, и для минеральных почв - от 2 до 12 (в зависимости от содержания радионуклида), чаще всего в пределах 3 -4%.

Всего в данном исследовании выполнено около 920 измерений радиоактивности в 340 пробах. Результаты измерения радиоактивности в пробах приведены в Приложениях в сводной по всем точкам (Приложение 3).

3.1 Результаты радиологических исследований в отдельных районах

Архангельской области

3.1.1 Мезенский район

На Севере Архангельской области, в Мезенском районе, для анализа были отобраны образцы из 1 точки. Карта отбора проб и результаты определения

137

содержания Cs в образцах изображены на рисунках 12 и 13.

Рисунок 12 - Карта отбор проб в Мезенском районе

137

Рисунок 13 - Содержание Сб в биообъектах из Мезенского района

3.1.2 Приморский район

В Приморском районе Архангельской области для анализа были отобраны образцы из 3 точках. Карта отбора проб и результаты определения содержания

137

Сб в образцах изображены на рисунках 14 и 15.

Рисунок 14 - Карта отбор проб в Приморском районе

<N ь

m

i-1

Ш

O

Грибы разные Грибы разные Черника - ягоды Брусника - ягоды Мох Pleurozium schreberi Мох Polytricum commune Лишайник Cladonia ran gifer. Лишайник Cladonia alpestiis Лишайник Cetraria lslandica Почва 5-10 см Почва 0-5 см Почва - подстилка Мох Hylocomium splendens Почва 10 - 20 см Почва 5-10 см Почва 0-5 см Почва - подстилка Почва 10 - 20 см Почва 5-10 см Почва 0-5 см Дернина

Мох Racomitrmni canescens Почва 10 - 20 см Почва 5-10 см Почва 0-5 см Мох Sphagnum sp.

3 io □ 10,3

I 23

I 35

1

1 : ¡7

1

1

1 >>1

12,4

1 19

14,£

I 25

: i5,5

I 21,4

28,2

I 25

I 24

: is

51

50,9

I 46

I-1-1-1-1-1-1-1

0 10 20 30 40 50 60 70

Бк/кг

137

Рисунок 15 - Содержание Cs в биообъектах из Приморского района

3.1.3 Пинежский район

В Пинежском районе Архангельской области для анализа были отобраны образцы из 2 точек. Карта отбора проб и результаты определения содержания

137

Cs в образцах изображены на рисунках 16 и 17.

Рисунок 14 - Карта отбор проб в Пинежском районе

137

Рисунок 15 - Содержание Сб в биообъектах из Пинежского района

3.1.4 Холмогорский район

В Холмогорском районе Архангельской области для анализа были отобраны образцы из 4 точек. Карта отбора проб и результаты определения содержания

137,

Сб в образцах изображены на рисунках 18 и 19.

Рисунок 18 - Карта отбор проб в Холмогорском районе

iЛ

н

Почва 10-20 см Почва 0-10 см Почва - подстилка Опад

Лишайник С1ас1оша куЬгайеа I

Плаун

Мох Ну 1 о с о тшт 5р 1 еп с1 еп 5

Почва 5-10 см ^^ Почва 0-5 см Грибы разные Черника-ягоды из Брусника - ягоды Мох 8р1ш£1шт зр. ^^

: 15,9

26,9

14

19 ] 21,1

36

12,1

31,5

о

Брусника - ягоды Почва 10-20 см Почва 0-10 см - Почва - подстилка

н Лишайник Cladonia sylvatica Мох Polytrihum commune Мох Cetraria lslandica

и,

1 11,5

: 14,8

15

19

8

49

57

i-1-1-1-1-1-1-1

-2 8 18 28 38 48 58 68

Бк/кг

137

Рисунок 19 - Содержание Cs в биообъектах из Холмогорского района

3.1.5 Плесецкий район

В Плесецком районе Архангельской области для анализа были отобраны образцы в 3 точках. Карта отбора проб и результаты определения содержания

137,

Cs в образцах изображены на рисунках 20 и 21.

Рисунок 20 - Карта отбор проб в Плесецком районе

137

Рисунок 21 - Содержание Cs в биообъектах из Плесецкого района

3.1.5 Виноградовский район

В Виноградовском районе Архангельской области для анализа были отобраны образцы в 2 точках. Карта отбора проб и результаты определения

содержания 137Сб в образцах изображены на рисунках 22 и 23.

Рисунок 22 - Карта отбор проб в Виноградовском районе

н

V)

н

Почва 5-10 см Почва 0-5 см Почва - подстилка Лишайник Cladonia sylvatica Мох Polytiihum commune Мох Sphagnum sp. Грибы разные Черника - ягоды Брусника - ягоды Брусника - ягоды Почва 10 -20 см Почва 0-10 см Почва - подстилка Лишайник Usnea dasypoga Мох Polytnchum commune Мох Pleurozium schieben

о

0,3

0

17,5 18,5

18

13

4,5

11,5 11,4 13,2

21

30

10

20 30

Бк/кг

40

46

50

137

Рисунок 23 - Содержание Cs в биообъектах из Виноградовского района

3.1.6 Верхнетоемский район

В Верхнетоемском районе Архангельской области для анализа были отобраны образцы в 2 точках. Карта отбора проб и результаты определения

137

содержания Cs в образцах изображены на рисунках 24 и 25.

Рисунок 24 - Карта отбор проб в Верхнетоемском районе

г-

Почва 0-10 см Почва - подстилка ~ Мох Hylocomium splendens Мох Pleurozium schieben Мох Polytrichum commune

Почва 10-20 см ZJ Почва 0-10 см I Почва - подстилка — Лишайник Cladonia sylvatica

Лишайник Usnea dasypoga ^^ Мох Toilula mralis Мох Pleurozium schieben

00

I-1-1-1-1-1-1-1

0 10 20 30 40 50 60 70

Бк/кг

137

Рисунок 25 - Содержание Cs в биообъектах из Верхнетоемского района

3.1.7 Красноборский район

В Красноборском районе Архангельской области для анализа были отобраны образцы в 1 точке. Карта отбора проб и результаты определения

содержания 137Сб в образцах изображены на рисунках 26 и 27.

Рисунок 26 - Карта отбор проб в Красноборском районе

137

Рисунок 27 - Содержание Сб в биообъектах из Красноборского района

3.1.8 Южные районы

В Каргопольском, Шенкурском, Вельском и Устьянском районах Архангельской области и республике Коми для анализа были отобраны образцы

137

грибов. Карта отбора проб и результаты определения содержания Сб в образцах изображены на рисунках 28 и 29.

Рисунок 28 - Карта отбор проб в южных районах

137

Рисунок 29 - Содержание Cs в биообъектах из южных районов

В таблице 5 показаны результаты определений по всем почвенным пробам. Необходимо отметить, что заметный разброс данных по определениям удельной

137

активности Cs в почвах объясняется не столько ошибками определения в пробах с крайне низким содержанием радионуклида, сколько известным из литературы обстоятельством, касающемся весьма значительной пространственной неоднородности реального загрязнения, т.е. большой мозаичности выпадений (Квасникова и др., 1999; Голосов, 2008; Olson et al., 2008).

Подтверждение вышесказанному имеются и в нашем исследовании, в частности, в двух близкорасположенных точках в Верхнетоемском районе (точки 17 и 18) уровни загрязнения оказались существенно различными.

137

По полученным данным, содержание Cs в лесной подстилке и в верхнем 5-см слое почв в различных районах Архангельской области находится в настоящее времени в основном на уровне 28-36 Бк/кг, что в общем соответствует немногочисленными публикациями специальных исследований, выполненных в Архангельской области (Юдахин и др., 2000; Баженов, 2001; Киселев и др., 2006; Экологический сайт Архангельской области).

137

Обзор результатов показывает, что наибольшее количество Cs даже спустя десятки лет после поверхностного загрязнения продолжает оставаться в верхних слоях почвы, что свидетельствует о высокой сорбционной способности данных почв. Ниже по профилю содержание радионуклида в общем постепенно понижается. В точке 5, где имеются данные по подстилке и по слою листового

137

опада, определённо показано, что в листовом опаде содержание Cs явно понижено - по-видимому, по причине малой сорбционной ёмкости этого слоя или сравнительно быстрого протекания в нём процессов минерализации.

пробах (за годы 2010-2014)

# Район области Место взятия проб Год Слой почвы Удельная акт-сть 137Cs, Бк/кг

1 Мезенский Каменка 2012 Почва - подстилка Почва 0 - 5 см Почва 5 - 10 см 36 ± 4 26,5 ± 0,2 19,8 ± 0,7

3 Приморский Васьково 2012 Почва - подстилка Почва 0 - 5 см Почва 5 - 10 см 12,4 ± 0,9 50,9 ± 1,0 22,4 ± 0,9

4А Васьково (верхняя часть склона) 2014 Почва - подстилка Почва 0 - 5 см Почва 5 - 10 см Почва 10 - 20 см 33 ± 4 25 ± 1 14,8 ± 0,6 19 ± 1

4B Васьково (средняя часть склона) 2014 Дернина Почва 0 - 5 см Почва 5 - 10 см Почва 10 - 20 см 28,2 ± 1,5 16 ± 2 21.4 ± 0,8 15.5 ± 0,5

4C Васьково (нижняя часть склона) 2014 Почва 0 - 5 см Почва 5 - 10 см Почва 10 - 20 см 30 ± 3 46 ± 5 24 ± 3

5 Холмогорский Гбач 2013 Опад (хвоя, листья берёзы и осины) Почва - подстилка Почва 0 - 10 см Почва 10 - 20 см 14 ± 3 49 ± 5 26,9 ± 0,5 15,9 ± 0,2

6 Пинежский Пинега 2011 Лесная подстилка Почва АоА1 40 ± 4 39 ± 1

7 Цимола 2013 Почва 10 - 20 см 21,5 ± 0,7

9 Холмогорский Брин-Наволок 2012 Почва 0 - 5 см Почва 5 - 10 см 36 ± 3 21,1 ± 0,4

11 Коскошина 2013 Почва - подстилка Почва 0 - 10 см Почва 10 - 20 см 30 ± 4 14,8 ± 0,5 11,5 ± 1,0

12 Виноградовский Усть-Ваеньга 2013 Почва - подстилка Почва 0 - 10 см Почва 10 - 20 см 25 ± 3 11,8 ± 0,7 8,1 ± 0,9

14 Конецгорье 2013 Почва - подстилка Почва 0 - 5 см Почва 5 - 10 см 29 ± 3 18,5 ± 0,7 17,5 ± 0,8

15 Березничек 2013 Почва - подстилка Почва 0 - 10 см Почва 10 - 20 см 13,2 ± 1,1 11.4 ± 0,5 11.5 ± 0,6

17 Верхнетоемский Алексеевская 2013 Почва - подстилка Почва 0 - 10 см 28 ± 2 25 ± 2

18 Власьевская 2013 Почва - подстилка Почва 0 - 10 см Почва 10 - 20 см 63 ± 6 9,5 ± 0,6 5,2 ± 0,4

22 Красноборский Березовка 2013 Почва - подстилка Почва 0 - 10 см Почва 10 - 20 см 65,9 ± 1,4 16,0 ± 0,5 8,1 ± 0,3

В различных точках опробывания можно заметить два типа послойного

137

распределения Cs в верхних слоях почвы (рисунок 30). В одном из этих двух случаев, более типичном, наибольшее содержание радионуклида наблюдается в слое лесной подстилки (показано на рис. 30 для точек 4А и 5). Гораздо реже проявился другой тип распределения (там же, на точке 3), когда большая часть загрязнителя переместилась из подстилки в минеральный горизонт А1.

Действительно, множество литературных данных для большинстве лесных почв подтверждает, что основное депонирование радионуклида наблюдается или в нижнем слое лесной подстилки, или в верхней части минеральной почвы, чаще всего в горизонте А1.

137

Причиной умеренного проявления вертикальной миграции Cs является, очевидно, весьма прочное закрепление цезия в почвенном поглощающем комплексе по механизмам ионной фиксации в кристаллической решётке глинистых минералов и/или труднообменного удержания в малорастворимых органических гумусовых веществах (Павлоцкая, 1974; Тихомиров, 1990; Уорнер и Харрисон, 1999; Алексахин, 2006; Лурье, 2010).

Подстилка О - 5 см

т.З

5-10 см

Иодспшка О - 5 см J5 - К)см

10 20 см

Опад

I I ОД С ГШ I К»

т'5 О-10см 10-20 см

0 ю 20 30 40 50 60 Бк/кг

Рисунок 30 - Типичные примеры послойного распределения

137

Сб верхних 20 см почвы (по точкам 3, 4А и 5)

I--1

1

74 137

Значения удельной активности Cs в верхних слоях лесных почв Архангельской области показали некоторое превышение уровня "глобального" загрязнения на данных широтах (Павлоцкая, 1974; Болтнева и др., 1977; Логачёв, 1998) - то есть того запаса радионуклида, который образовался в результате проведения наиболее мощных, термоядерных взрывов, вначале в верхних слоях атмосферы (в тропосфере и стратосфере), а затем медленно, на протяжении многих лет, выпадал на поверхность практически всего Земного шара (хотя и неодинаково на различных широтах).

Превышение уровня глобального загрязнения для данного региона свидетельствует о дополнительном выпадении радионуклидов из приземных воздушных потоков, происходивших, например, во время атмосферных испытаний ядерного оружия. Локальные радиоактивные загрязнения распространяются по воздуху обычно не более чем на несколько сотен километров от места выполнения испытания. Следовательно, в нашем случае, то есть в северной части Архангельской области, наиболее реальным источником дополнительного загрязнения (помимо "глобального") могла стать деятельность испытательного полигона «Северный» на Новой Земле. Предположение о Новоземельском происхождении основной части загрязнений в Архангельской области подтверждается также тем, что в целом в сводке данных по почвам мы наблюдаем некоторую тенденцию к снижению уровней загрязнения цезием с севера на юг области, т.е. от арктического побережья вглубь континента.

Повышенные значения удельной активности в почвах (до 60 - 66 Бк/кг) были выявлены в двух точках в центрально-южной и юго-восточной частях области в Верхнетоемском и Красноборском районах (точки 18 и 22). Забегая вперёд, можно сказать, что имеются косвенные свидетельства того, что загрязнение почвы имеет место также в Плесецком, Красноборском и Вельском районах (в точках 8, 20, 22). Трудно предположить, что дополнительные радионуклидные выпадения в районе Вельска, например, пришли с Новой Земли, то есть за 1,5 тыс. км от места испытаний. Таким образом, в южных районах Архангельской области более вероятным источником загрязнения почв может

быть след от Чернобыльской аварии 1986 г.

Как известно (РегББОИ й а1., 1987; Борзилов и др., 1989), первичное северозападное направление движения Чернобыльского радиоактивного облака, которое привело к существенным загрязнениям в Швеции и Норвегии, в дальнейшем расщепилось на несколько струй («факелов»). Одна из них, перемещавшаяся на высоте около 1500 м, повернула затем на Финляндию и далее на юг - юго-восток, в сторону Ленинградской области (рисунок 31). Выпадение радиоактивных веществ с дождями привело к заметному (с плотностью выше 1 Ки/км ) загрязнению в Кингисеппском, Волосовском и Лужском районах (Петербургский загородный портал, 2015). На карте Ленинградской области (рисунок 32) отдельные микроочаги складываются в достаточно чёткую картину движения радиоактивного следа от юго-западной части Финского залива Балтийского моря (примерно от Усть-Луги) и далее в юго-восточном направлении практически через всю область. Окончание этого шлейфа пришлось на северную часть Вологодской области. Возможно, что в т. 20 (Вельский район, почти на границе с Вологодской областью) мы тоже имеем следы этого шлейфа. Однако к загрязнению основной части Архангельской области он, по-видимому, отношения не имеет.

Однако ещё один воздушный шлейф, отмеченный вначале на высотах около 3000 м (он показан пунктирными точками на рис. 31), уже над Балтийском морем отклонился к востоку и пошёл по Заонежью и далее по Архангельской области.

Загрязнённые воздушные массы от ЧАЭС пришли к северным регионам России уже в значительно ослабленном состоянии. Расчётная оценка плотности загрязнения цезием в Карелии и Архангельской области к 1988 г. составила 0,060,10 Ки/км (Махонько и др., 1990), что является хотя и небольшим, но всё же заметным превышением над региональным фоновым значением.

Рисунок 31 - Направления движения Чернобыльского радиоактивного облака

от 25 апреля 1986 (по Гринвичу)

137

Рисунок 32 - Загрязнение Сб территории Ленинградской области

Далее рассмотрим некоторые наблюдения, касающиеся проявлений

137

процессов вторичного перемещения Cs в почвах и лесных ландшафтах. Показательны результаты по точкам 4А, 4В и 4С, которые расположены на одной линии и представляют собой единый геоморфологический профиль (рисунок 33) среднего масштаба (4 А - на возвышенности / 4В - на склоне / 4 С - в низине). Общее расстояние между точками 4А и 4С составило ~200 м, уклон местности -6-7о.

137

На склоне содержание Cs в почве по всем слоям оказалось примерно таким же (или немного меньшем), как и на возвышенности, но в низине найдено максимальное количество нуклида в данном профиле. Такие результаты явно свидетельствуют об эрозионном вымывании радионуклида с участков, расположенных на возвышениях, и переотложения его вниз по склонам и, особенно, в пониженных элементах рельефа. Латеральное перемещение нуклида происходит в основном не в растворённом в воде состоянии, а в составе

почвенных частиц с сорбированным на них Сб (Уорнер, Харрисон, 1999; Коробова, 2006; Коробова и др., 2006; Лурье, 2007; Геннадиев и др., 2013).

__137

Рисунок 33 - Послойное распределение Сб в почве на трёх точках рельефа на возвышенности (т. 4А), в средней части склона (т. 4В) и в низине (т. 4С)

137

Результаты определений содержания Cs во мхах (таблица 6) показали значения удельной активности в диапазоне приблизительно от 10 до 45 Бк/кг на сухую массу. Какая-либо видовая специфичность накопления радиоцезия во мхах не отмечена.

Полученные данные соответствует известным из литературы сведениям о том, что низшие растения, особенно мхи и лишайники, задерживают на себе большую часть радионуклидных выпадений, и их загрязнённость оказывается обычно на порядок выше, чем загрязнённость большинства высших растений в том же регионе (Gorham, 1959; Молчанова, Боченина, 1980; Pimpl, Schuttelkopf, 1986; Livens et al., 1991; и мн. др.). Причины данного феномена состоят в анатомических особенностях низших растений (отсутствие у них истинных корней), способность абсорбировать питательные вещества и сопутствующие поллютанты из воздуха и дождевых вод, и очень продолжительный рост на одном месте.

137

Значения удельной активности Cs в лишайниках (таблица 7) определены в диапазоне от 5 до 20 (в отдельных случаях - до 50) Бк/кг на сухую массу. В большинстве случаев содержание нуклида в лишайниках было заметно меньшим в сравнении со мхами. Видовой специфичности накопления радиоцезия в лишайниках, как и во мхах, тоже не отмечено.

Исходя из предположения, что загрязнённость растительных проб должна зависеть и от загрязнённости почвы (как основного места депонирования загрязнителя), мы попытались соотнести эти два фактора по широко применяемому в экологических исследованиях показателю коэффициента накопления (Кн). Мы отдавали себе отчёт в том, что сама идея применить показатель Кн не вполне корректна в случае низших растений, подобных мхам и лишайникам, которые не имеют настоящих корней и, соответственно, корневого поглощения (см. выше).

(2011-2014 гг.)

# Район области Место взятия проб Год Виды мхов Удельная акт-сть 137Cs, Бк/кг

1 Мезенский Каменка 2012 Pleurozium schreberi Sphagnum palustre 24 ± 4 44 ± 5

3 Приморский Васьково 2012 Polytrichum commune Pleurozium schreberi 35 ± 11 23 ± 2

4А Васьково (верхняя часть склона) 2014 Hylocomium splendens 31 ± 2

4B Васьково (средняя часть склона) 2014 Racomitrium canescens 25 ± 7

4C Васьково (нижняя часть склона) 2014 Sphagnum sp. 15 ± 2

5 Холмогорский Гбач 2013 Hylocomium splendens 19

6 Пинежский Пинега 2011 Pleurozium schreberi 24 ± 3

8 Плесецкий Верховье 2012 Polytrichum commune Sphagnum sp. Sphagnum sp. 11 ± 2 13 ± 4 18 ± 2

9 Холмогорский Брин-Наволок 2012 Hylocomium splendens Pleurozium schreberi Sphagnum sp. 35 29 ± 2 32 ± 4

11 Коскошина 2013 Polytrichum commune 19 ± 2

12 Виноградовский Усть-Ваеньга 2013 Pleurozium schreberi 15 ± 3

14 Конецгорье 2013 Polytrichum commune Sphagnum sp. 0,3 ± 1,5 6 ± 2

15 Березничек 2013 Pleurozium schreberi Polytrichum commune 21 ± 12 30 ± 16

17 Верхнетоемский Алексеевская 2013 Hylocomium splendens Pleurozium schreberi Polytrichum commune 12 16 ± 4 11 ± 7

18 Власьевская 2013 Pleurozium schreberi Tortula ruralis 42 46

22 Красноборский Березовка 2013 Hylocomium splendens Pleurozium schreberi Sphagnum sp. 24 43 ± 11 20 ± 3

Таблица 7 - Результаты измерения удельной активности 137Cs в лишайниках

(2011-2013 гг.)

# Район области Место взятия проб Год Виды лишайников Удельная акт-сть 137Cs, Бк/кг

1 Мезенский Каменка 2012 Cladonia silvatica 22 ± 3

3 Приморский Васьково 2011 2012 2012 Cetraria islandica Cladonia alpestris Cladonia rangiferina 51 ± 22 37 ± 2 49 ± 3

5 Холмогорский Гбач 2013 Cladonia sylvatica -2 ± 2

6 Пинежский Пинега 2011 Usnea dasypoga 15 ± 11

11 Холмогорский Коскошина 2013 Cetraria islandica Cladonia sylvatica 8 ± 2 15 ± 1

12 Виноградовский Усть-Ваеньга 2013 Cetraria islandica Cladonia sylvatica Usnea dasypoga 5 ± 6 10 ± 2 6

14 Конецгорье 2013 Cladonia sylvatica 0 ± 1

15 Березничек 2013 Usnea dasypoga 5 ± 4

18 Верхнетоемский Власьевская 2013 Usnea dasypoga Cladonia sylvatica 15 ± 8 16 ± 3

22 Красноборский Березовка 2013 Cetraria islandica Cladonia sylvatica Peltigera aphthose Usnea dasypoga 17,3 ± 0,3 23 53 ± 22 11 ± 1

Впрочем, и при реальном корневом поглощении веществ важно знать, из какого почвенного слоя преимущественно оно происходит. Тогда при расчётах Кн правильно будет соотносить удельную активность растительной массы к активности почвы в этом именно слое. О том, что это существенный фактор при определении Кн, говорят наблюдения, показывающие зависимость накопления радионуклидов от типа корневой системы растений (Барыбин и др., 2001; Лурье и др., 2009).

С учётом вышесказанного расчёты коэффициентов накопления выполняли по формуле:

Кн араст/апочв,

137

где: араст - значение удельной активности Сб в растениях и апочв- то же для лесной подстилки (в которой, как правило, находили наибольшее содержание радионуклида).

Результаты для мхов и лишайников приведены в таблицах 8 и 9. Большинство полученных результатов показали диапазон значений Кн от 0,3 до 1,0 для мхов (кроме точек 14 и 15) и от 0,2 до 0,5 - для лишайников, то есть и по

показателю Кн данные у мхов тоже оказались заметно более высокими, чем у лишайников. Чтобы более точно количественно оценить это различие, мы выполнили дисперсионный анализ по 18 пробам мхов и 12 пробам лишайников. Результат получен следующим: среднее значение Кн по всем пробам мхов составило 0,63 с дисперсией (стандартным отклонением или ББ) 0,21 и по лишайникам - соответственно 0,30 и 0,10. Таким образом, по типичной

137

растительности в лесных экосистемах Архангельской области накопление Сб мхами более чем в 2 раза превышало таковое лишайниками.

Кроме того, для одного вида мха, Pleurozium schreberi, образцы которого были отобраны в 8 точках области, рассчитан коэффициент корреляции (таблица 10, рисунок 34). Значение его составило 0,86, что является значимым и

137

свидетельствует о тесноте связи между удельной активностью Сб во мхах и верхним слоем почвы. Достаточно высокое значение коэффициента детерминации

2 137

(Я =0,7419) характеризует сильную зависимость удельной активности Сб в

137

Pleurozium schreberi от удельной активности Сб в верхнем слое почвы.

Вид Точка отбора проб Удельная активность, Бк/кг сухой массы Кн = араст/апочв

араст * апочв

Hylocomium splendens 4А (Васьково) 31 ± 2 33 ± 2 0,94

Racomitrium canescens 4B (Васьково) 25 ± 7 28,2 ± 1,5 0,89

Sphagnum sp. 4C (Васьково) 15 ± 2 30 ± 3 0,50

Hylocomium splendens 5 (Гбач) 19 49 ± 5 0,39

Pleurozium schreberi 6 (Пинега) 24 ± 3 40 ± 4 0,60

Hylocomium splendens 9 (Брин-Наволок) 35 0,97

Pleurozium schreberi 29 ± 2 36 ± 3 0,81

Sphagnum sp. 32 ± 4 0,89

Polytrichum commune 11 (Коскошина) 19 ± 2 30 ± 4 0,63

Pleurozium schreberi 12 (Усть-Ваеньга) 15 ± 3 25 ± 3 0,60

Polytrichum commune Sphagnum sp. 14 (Конецгорье) 0,3 ± 1,5 6 ± 2 29 ± 3 0,01 0,21

Pleurozium schreberi Polytrichum commune 15 (Березничек) 21 ± 12 30 ± 16 13,2 ± 1,1 1,59 2,27

Hylocomium splendens 17 (Алексеевская) 12 0,43

Pleurozium schreberi 16 ± 4 28 ± 2 0,57

Polytrichum commune 11 ± 7 0,39

Pleurozium schreberi Tortula ruralis 18 (Власьевская) 42 46 63 ± 6 0,67 0,73

Hylocomium splendens 22 (Березовка) 24 0,36

Pleurozium schreberi 43 ± 11 65,9 ± 1,4 0,65

Sphagnum sp. 20 ± 3 0,30

* В качестве показателя удельной активности почвы взяты данные по подстилке; в отдельных случаях, когда таких данных не было, их заменили на данные по верхнему (0-5 см) слою почвы.

Вид Точка отбора проб Удельная активность, Бк/кг сухой массы *Кн = араст/апочв

араст * апочв

Usnea dasypoga 6 (Пинега) 15 ± 11 40 ± 4 0,38

Cetraria islandica Cladonia sylvatica 11 (Коскошина) 8 ± 2 15 ± 1 30 ± 4 0,27 0,50

Cetraria islandica 12 (Усть-Ваеньга) 5 ± 6 0,20

Cladonia sylvatica 10 ± 2 25 ± 3 0,40

Usnea dasypoga 6 0,24

Cladonia sylvatica 14 (Конецгорье) 0 ± 1 29 ± 3 0,0

Usnea dasypoga 15 (Березничек) 5 ± 4 13,2 ± 1,1 0,38

Cladonia sylvatica 18 (Власьевская) 16 ± 3 63 ± 6 0,25

Usnea dasypoga 15 ± 8 0,24

Cetraria islandica 22 (Березовка) 17,3 ± 0,3 0,26

Cladonia sylvatica Peltigera aphthose 23 53 ± 22 65,9 ± 1,4 0,35 0,80

Usnea dasypoga 11 ± 1 0,17

*См. пимечание к табл. 8.

Таблица 10 - Расчет коэффициента корреляции (Pleurozium schreberi)

№ п/п Точка отбора проб Удельная активность, Бк/кг сухой массы

1 1 (Каменка) 24 ± 4 36 ± 4

2 3 (Васьково) 23 ± 2 12,4 ± 0,9

3 6 (Пинега) 24 ± 3 40 ± 4

4 9 (Брин-Наволок) 29 ± 2 36 ± 3

5 12 (Усть-Ваеньга) 15 ± 3 25 ± 3

6 15 (Березничек) 21 ± 12 13,2 ± 1,1

7 17 (Алексеевская) 16 ± 4 28 ± 2

8 18 (Власьевская) 42 63 ± 6

9 22 (Березовка) 43 ± 11 65,9 ± 1,4

Значение коэффициент корреляции 0,86

137

Рисунок 34 - График зависимости удельной активности Cs в Pleurozium

137

schreberi от удельной активности Cs в верхнем слое почвы

Большинство проб лишайников принадлежит видам Кладония лесная (Cladonia sylvatica) и Цетрария исландская (Cetraria islandica), называемая также исландским мхом (Гарибова и др., 1978). Это кустистые, сильно разветвлённые напочвенные (или эпигейные) лишайники. Существенно отличался от других результат, полученный у Пелтигеры пупырчатой (Peltigera aphthöse). Таллом этого лишайника не кустистый, а состоящий из довольно крупных листоватых лопастей. Возможно, этим и объясняется более высокое накопление радиоцезия у пелтигеры. Ещё один вид - Уснея густобородая (Usnea dasypoga) - вообще не принадлежит к напочвенным, а является эпифитным. Впрочем, значения Кн у уснеи мало отличались от значений по другим видам лишайников.