УДК 504.53.054:546.36
Проблемы определения пространственной неоднородности выпадений Сэ для оценки темпов эрозионно-аккумулятивных процессов
В. Н. Голосов*, М. В. Маркелов*, В. Р. Беляев*, О. М. Жукова*
Обсуждаются вопросы оценки изменчивости выпадения изотопа П7Св глобального и чернобыльского происхождения на опорных участках для целей использования его в качестве маркера для расчетов темпов эрозион-но-аккумулятивных процессов. Показано, что локальная изменчивость загрязнения П7Св почв опорных площадок находится в интервале 7—20%, что позволяет использовать изотоп в качестве маркера. При этом при проведении исследований в пределах водосборов необходимо проверять наличие тренда выпадения 137Сs из атмосферы, который должен учитываться при оценках перераспределения почвы и наносов.
Введение
Горизонтальная миграция 137Сз, появившегося в окружающей среде в результате проведения испытаний атомного оружия в атмосфере, а также крупных техногенных аварий, в основном связана с процессами водной и ветровой эрозии почв. Эта особенность радионуклида позволяет решать задачу оценки темпов эрозионно-аккумулятивных процессов на основе данных о содержании 137С8 в почвенном покрове и аккумулятивных отложениях. Возможность использовать 137С8 в качестве маркера для оценки интенсивности экзогенных процессов была практически одновременно предложена в СССР [12] и США [26].
Для количественной оценки темпов этих процессов используются математические калибровочные зависимости, связывающие изменение запаса 137С8 с интенсивностью процесса сноса почвы или накопления наносов. При этом запас 137С8 в геоморфологически стабильных условиях на водораздельной поверхности (в автоморфном ландшафте), где его содержание в почве определяется только его поступлением из атмосферы и радиоактивным распадом, принимается за опорное значение. С ним сравнивается запас 137Св в подчиненных ландшафтах (трансэлювиальный, трансаккумулятивный и аккумулятивный ландшафты) для оценки его горизонтальной миграции. Неравномерность поля загрязнения влияет на опорное значение запаса, определяемого с некоей погрешностью, которая может оказаться значимой в расчетах интенсивности перераспределения наносов [16]. Для
* Московский государственный университет им. М. В. Ломоносова.
получения адекватных оценок необходимо учитывать возможный диапазон изменчивости запаса радионуклида на водораздельных поверхностях.
За прошедшие десятилетия радиоцезиевый метод постоянно совершенствовался и широко использовался многими исследователями для количественной оценки темпов перераспределения почв и наносов в разных по рангу геосистемах [2, 15, 19—21, 23, 25, 31]. Однако существуют критики радиоцезиевого метода, которые указывают на его недостатки [28]. Одним из основных недостатков метода является, по мнению авторов [28], значительная пространственная изменчивость начального выпадения 137С8 как глобального, так и чернобыльского происхождения, что затрудняет его использование в качестве маркера перемещения почвенных частиц.
В предлагаемой статье обсуждаются различные аспекты проблемы определения пространственной изменчивости выпадения изотопа 137С8 в ряде районов европейской части России, в разной степени затронутых радиоактивным загрязнением после аварии на Чернобыльской АЭС. Основные задачи данной работы — оценить изменчивость загрязнения 137С8 ав-томорфных ландшафтов, оценить зависимость ее величины от ряда при-родно-антропогенных условий, выработать рекомендации для последующих исследований.
Пространственная изменчивость поля загрязнения разного ранга
В структуре загрязнения почвенного покрова Земли 137С8 можно выделить несколько уровней пространственной изменчивости: мегаизменчи-вость, региональная и локальная. Мегаизменчивость связана с глобальным радиоактивным загрязнением Земли в результате проведения ядерных испытаний преимущественно в конце 1950-х — начале 1960-х годов. Глобальные выпадения 137Св характеризуются широтной зональностью с максимумами на 40—50° ш. обоих полушарий [5, 11], что связано с особенностями глобальной циркуляции атмосферы. Динамика проведения взрывов в Северном полушарии характеризуется двумя максимумами в 1957—1959 и 1962—1963 гг., когда число наземных испытаний резко возрастало, максимальные выпадения происходили с задержкой в 0,5—1,0 год [5].
Новый значимый выброс 137С8 в окружающую среду произошел в 1986 г. после аварии на Чернобыльской АЭС, когда были загрязнены обширные пространства в Европе [1]. Таким образом, запас 137Св в пробах почвы определяется суммой выпадений глобальной и чернобыльской природы, причем эти выпадения дают разный вклад в суммарный запас на разном удалении от места аварии.
Как для 137С8 глобального происхождения, так и для чернобыльского 137Св большая неравномерность выпадения осадков и их интенсивности является главной причиной неоднородности загрязнения почв 137С8. Результаты картографирования поля глобального загрязнения 137Св, выполненного для всей территории СССР в начале 1970-х годов, показывают, что пространственные особенности выпадения 137С8 во многом обусловлены неравномерностью выпадения осадков по площади [5]. Детальные исследования содержания 137Св в ненарушенных почвах ряда регионов Новой Зеландии показывают наличие четкой линейной зависимости между средне-
годовым слоем осадков и удельным запасом 137С8 в почве с коэффициентом корреляции 0,92 [13].
Пространственная неравномерность выпадений 137С8 в пределах одной ландшафтной зоны обусловлена вертикальной амплитудой и густотой расчленения рельефа территории, что влияет не только на увеличение "мокрых", но и "сухих" выпадений. На равнинах это проявляется в увеличении уровней загрязнения в пределах возвышенностей, расположенных на пути преобладающего направления движения воздушных масс (Приднепровская, Среднерусская, Приволжская) [1, 6]. Таким образом, орографическое строение территории позволяет выделять изменчивость загрязнения почв 137Св регионального уровня, которую можно назвать орографической [7]. Ее следует учитывать при проведении исследований эрозионно-аккумуля-тивных процессов в пределах бассейнов рек с водосборами площадью несколько сотен квадратных километров.
Изменчивость глобальных выпадений 137С8, изученная в пределах равнинных территорий с помощью планшетов, расположенных на расстоянии в несколько десятков километров, пренебрежимо мала [10]. После аварии на Чернобыльской АЭС существовавшее к тому моменту поле загрязнения почвы 137Св существенно трансформировалось [1, 5] (рис. 1а, б). Пространственное распределение радиоактивного загрязнения, связанного с чернобыльскими выпадениями, характеризуется большей неравномерностью. В частности, в пределах России существует ряд территорий со значительным (на порядки превышающим глобальное) загрязнением чернобыльским 137С8 — так называемые чернобыльские пятна (Брянское, Плавское и др.).
После выпадения атмосферных осадков, содержащих 137Св, на результирующее содержание радионуклида в почве оказывают влияние три последовательных процесса — зависящее от рельефа поверхности и состояния растительного покрова перераспределение выпавших атмосферных осадков (как жидких, так и твердых) по поверхности почвы до начала просачивания; просачивание осадков и адсорбирование 137С8 почвенно-погло-щающим комплексом; дальнейшее внутрипочвенное перераспределение 137Св, связанное с процессами диффузии, внутрипочвенной миграции, био-турбации, а также механическими нарушениями почвы в результате деятельности человека. Совокупность местных ландшафтных особенностей, вызывающих неоднородности хода этих процессов, приводит к проявлению неравномерности загрязнения почвы 137С8, которую принято называть локальной изменчивостью загрязнения.
Использование 137Св в качестве маркера для количественной оценки интенсивности экзогенных процессов предполагает статистически достоверное определение значения суммарной плотности его выпадения на исследуемой территории (опорное значение запаса). Для этого выбираются опорные площадки — геоморфологически стабильные участки, на которых с момента начала выпадения 137С8 из атмосферы не наблюдалось его потерь с латеральным сносом почвенного материала или его накопления в результате поступления наносов с прилегающей территории. Предпочтительными являются выровненные приводораздельные залуженные участки [8, 16, 20, 31]. На опорных площадках отсутствие внешних воздействий
Рис. 1. Загрязнение территории европейской части России 137С8 до (а) [1, 8] и после (б) [1,5] аварии на Чернобыльской АЭС и расположение объектов исследований: в — бассейн р. Локна в Тульской области; г — междуречье рек Зуши и Колпны в Орловской области; д — бассейн р. Калаус в Ставропольском крае.
Звездочкой отмечены места отбора проб, цифры — номера площадок. Остальные пояснения приведены в тексте.
должно быть определено на основании изучения эпюры вертикального распределения содержания 137Ся (рис. 2), подкрепленного описанием морфологии почвенного профиля.
Отбор нескольких интегральных проб (0—30 см) позволяет оценить локальную изменчивость загрязнения почв радионуклидом. Чем она больше, тем большее число проб необходимо отобрать для статистически достоверного определения среднего значения активности 137Ся в почве. Минимально необходимое число случайно отобранных проб зависит от коэффициента вариации запаса и закладываемого уровня ошибки оценки его среднего запаса [27]:
N0 =
г-С
где N — минимальное число проб, необходимых для статистически досто-
верного определения опорного запаса 137Ся с допустимой ошибкой Ел; N —
о
Рис. 2. Эпюры вертикального распределения 137Сб в почве, характерные для ненарушенных (а—д), распахиваемых (е) и старопахотных (ж, з) почв.
а—площадка "Локна 1" (запас 137Сб в разрезе 309 кБк/м2); б—площадка "Лок-на 3а" (314,5 кБк/м2); в — площадка "Зуша 1" (31020 Бк/м2); г — площадка "Зуша 4" (46184 Бк/м ); д — площадка е — современ-
ная пашня на междуречье рек Зуши и Колпны (37944 Бк/м2); ж — площадка "Калаус 2" (3260 Бк/м2); з — площадка "Зуша 2" (23383 Бк/м2).
число отобранных образцов почвы; н -
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.