РАДИАЦИОННАЯ БИОЛОГИЯ. РАДИОЭКОЛОГИЯ, 2012, том 52, № 6, с. 625-635
РАДИОЭКОЛОГИЯ
УДК 574::539.1.04:539.163
ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ВЕРТИКАЛЬНОГО РАСПРЕДЕЛЕНИЯ 13^ И 9^г В ЛЕСНЫХ ПОЧВАХ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ
© 2012 г. А. Н. Переволоцкий*, Т. В. Переволоцкая
Гомельский государственный университет им. Ф. Скорины, Гомель, Республика Беларусь
В статье проанализировано распределение 137С8 и 90$г в вертикальном профиле почвы лесных биогеоценозов при различных режимах увлажнения и различном видовом составе древесной растительности на "дальнем" следе радиоактивных выпадений Республики Беларусь. Рассчитаны параметры вертикальной миграции радионуклидов для двухкомпонентного квазидиффузионного уравнения и с его помощью подготовлен прогноз загрязнения корнеобитаемых слоев почвы, рассчитаны периоды их полуочищения и вклад миграции в этот процесс. Подтверждено повышение интенсивности миграции радионуклидов в вертикальном профиле лесных почв по мере изменения режима увлажнения почвы от автоморфного к гидроморфному.
137С8, 90$г, удельная активность, запас радионуклидов, распределение радионуклидов, миграция, коэффициент квазидиффузии, прогноз.
В ряде научных работ [1—7], посвященных изучению закономерностей миграции радионуклидов в вертикальном профиле почвы, определяли параметры конвективно-диффузионного или квазидиффузионного уравнений миграции радионуклидов с целью последующего прогнозирования загрязнения почвенных слоев. Показано, что на контрастных по почвенно-экологическим условиям почвах с различными видами радиоактивных выпадений коэффициент диффузии D находился в диапазоне (0.6—158) х 10-9 см2/с, скорость влагопереноса V — (0.1—16.5) х 10-9 см/с и коэффициент квазидиффузии М— (4.5—14) х х 10-9 см2/с. Подробные исследования параметров миграции в вертикальном профиле почв лесных насаждений различного видового состава и режима увлажнения почвы были проведены в Институте леса НАН Беларуси [5]. В данной работе максимальные коэффициенты "быстрой" и "медленной" квазидиффузии, рассчитанные согласно двухкомпонентному квазидиффузионному уравнению миграции 137Cs в 0—20 см слое почвы ((72.2 ± 4.2) х 10-8 и (5.47 ± 0.21) х 10-8 см2/с соответственно), были отмечены для лесных почв в черноольховых насаждениях. Минимальные значения исследованных параметров миграции были установлены для березовых и дубовых насаждений — <10-7 см2/с для "быстрого" и <3 х х 10~9см2/с для "медленного" коэффициентов квазидиффузии. Для 90Sr отмечены более высокие
* Адресат для корреспонденции: Республика Беларусь, 246019 Гомель, ул. Советская, 104, Учреждение образования Гомельский государственный университет им. Ф. Скорины, биологический факультет; тел.: (3750232) 57-11-15; e-mail: forest_rad@ mail.ru.
параметры миграции в вертикальном профиле почвы по сравнению с 137Cs [4, 6, 7].
Целью настоящего исследования было изучение особенностей распределения, определение параметров квазидиффузионных уравнений миграции 137Cs и 90Sr и прогнозирование содержания радионуклидов в корнеобитаемых почвенных слоях наиболее распространенных лесных насаждений различного видового состава и режима почвенного увлажнения на "дальнем" следе радиоактивных выпадений Республики Беларусь.
ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ
Исследования проводили на территории "дальнего" следа радиоактивных выпадений Чернобыльской АЭС в насаждениях различного видового состава с различными условиями увлажнения почвы, относящихся к Ветковскому спецлесхозу Гомельского производственного лесохо-зяйственного объединения [8]. Данный спецлесхоз относится к Полесско-Приднепровскому комплексу лесных массивов и входит в состав одноименного лесорастительного района.
Автоморфным режимом увлажнения характеризовались следующие участки:
— в ельниках чернично-мшистых III класса возраста на дерново-подзолистых супесчаных свежих почвах (доля ели в составе насаждения превышала 70% с примесью сосны, березы и осины) на трех опытных объектах;
— в чистых сосняках мшистых II класса возраста на дерново-подзолистых песчаных свежих почвах на пяти опытных объектах;
— в смешанных сосново-березовых насаждениях мшистого типа леса II класса возраста на дерново-подзолистых песчаных свежих почвах (доля сосны и березы в составе насаждения примерно одинакова) на трех опытных объектах.
На почвах с полугидроморфным режимом увлажнения исследования проведены:
— в чистых сосняках черничных III класса возраста на дерново-подзолистых оглеенных влажных почвах на двух опытных объектах;
— в смешанных лиственных насаждениях черничного типа леса II класса возраста на дерново-подзолисто-глеевых песчаных влажных почвах (доля осины составляла от 30 до 70%, сопутствующими породами были береза, ольха черная, дуб, единично — сосна) на двух опытных объектах.
На почвах с гидроморфным режимом увлажнения исследования проведены в чистых чер-ноольховых насаждениях крапивного типа леса III класса возраста на перегнойно-глеевых сырых почвах на двух опытных объектах.
На опытных объектах в соответствии с методикой [9] проводили отбор проб лесной подстилки и почвы из гумусово-элювиального горизонта до глубины 10 см по 1-сантиметровым слоям и от 10 до 20 см — по 5-сантиметровым слоям. В лаборатории образцы высушивали до воздушно-сухого состояния. Удельную активность 137Cs в исследуемых образцах почвы определяли на у-спектромет-рическом комплексе "Canberra" (США). Радиохимическое выделение 90Sr проводили по стандартной методике ЦИНАО с радиометрическим окончанием на a-ß-счетчике "Canberra-2400". Относительная погрешность измерений <20%.
Для каждого почвенного слоя рассчитывали запас (активность) радионуклида в процентах от суммарного [9—11]:
PI, =
AU,- X m, X 100
s X
IС
(AUj x m■
(1)
где Р^ — запас (активность) радионуклида для 1-го слоя почвы, % от общего в исследуемом профиле почвы; АЦ — удельная активность радионуклида в 1-м слое почвы, Бк/кг; т^ — масса образца из 1-го слоя почвы, кг; ж — площадь пробоотборника, м2; п — число почвенных слоев.
Данный расчет позволил сравнить послойные распределения запаса радионуклида в вертикальном профиле почвы при различных уровнях выпадений радиоактивных веществ на поверхность.
Проанализированы данные по распределению 137С8 в вертикальном профиле почвы через 5 и
15 лет после радиоактивных выпадений и по 908г — через 15 лет [8, 12].
Параметры миграции радионуклидов в вертикальном профиле минеральной части почвы оценивали с помощью двухкомпонентного квазидиффузионного уравнения [13]:
^ ч Af X e Хх' X AC0 AC(t) = f _ —0 exp
Jn X Mf X t
У
4 X Mf X
Af X e Xx t X AC0 + f -0 exp I -
(2)
Jn X Ms X t
У
4 X M, X
где АС0 — запас радионуклида, поступившего на почву, на момент аварийных выпадений, отн. ед.; М^ и — коэффициенты "быстрой" и "медленной" компонент миграции радионуклида (коэффициенты квазидиффузии), см2/с; А^ и Аж — доля "быстрой" и "медленной" компонент, см-1; I — время с момента поступления радионуклидов на поверхность почвы, с; у — глубина рассматриваемого почвенного слоя, см; X — постоянная радиоактивного распада, для 137С8 равна 7.29 х 10-10 с-1, 908г — 7.82 х 10-10 с-1.
Результаты расчетов коэффициентов квазидиффузии, вклада "быстрой" и "медленной" компонент миграции, а также коэффициент корреляций между рассчитанными и наблюдаемыми значениями активности на одних и тех же глубинах почвы приведены в табл. 1. Фактические и рассчитанные значения запасов в вертикальном профиле почвы приведены на рис. 1 (для 137С8) и рис. 2 (для 908г).
С использованием полученных параметров квазидиффузионного уравнения миграции была интерполирована активность радионуклидов по почвенным слоям на глубину до 50 см, спрогнозировано распределение радионуклидов в вертикальном профиле почвы с различным режимом увлажнения с учетом и без учета радиоактивного распада.
Для каждого из рассчитанных распределений радионуклидов в 0—50-сантиметровом слое в разные моменты времени выполняли расчет залегания глубины центра запаса — условной плоскости, параллельной земной поверхности, выше и ниже которой находилось одинаковое количество радионуклида (50%) [3, 10, 11, 14]:
I (Pl, t X У t)
h = ' = 1 "1/2, t =
(3)
I (У)
= 1
где й1//2, , — глубина залегания центра запаса радионуклида в момент времени Р1 ■ , — запас (актив-
n
св Я
ю
-5
-10
-15
-20
-25
-30 5Е—5
0.0005 0.0050 0.500 Запас, отн.ед.
0.5000
0 -5
о -10
15
20
25
-30 5Е
а н
ю
" ¿5 .. .а ?*"'
- а ■ +
6 о 1 .....2 + 3
1 1 - - 4 | |
0.0005 0.0050 0.500 Запас, отн.ед. д
0.5000
а н
ю
0
-5
10
15
20
25
-30 5Е—5
0.0005 0.0050 0.500 Запас, отн.ед.
0 -5 10 15 20 25
а н
ю
0 -5 10 15 20 25
0 -5 10 -15 20 25
0.0005 0.0050 0.500 Запас, отн.ед.
г
0.5000
0.0005 0.0050 0.500 Запас, отн.ед.
0.5000
+
+ О;
0.5000
/Г
/
.0 *
/
/
1:1 о 1
.....2
+ 3 --4
0.0005 0.0050 0.500 0.5000 Запас, отн.ед.
Рис. 1. Фактические и расчетные значения (1 — фактические в 1991 г., 2 — расчетные в 1991 г., 3 — фактические в 2001 г., 4 — расчетные в 2001 г.) запасов 137С8 в вертикальном профиле почвы лесных насаждений с различным режимом увлажнения и видовым составом древесной растительности: а — ельники, ап; б — сосняки, ап; в — смешанные, ап; г — сосняки, пп; д — лиственные, пп; е — черноольшанники, гп (сокращения в обозначении режимов увлажнения почвы в примечании к табл. 1).
св Я
ю
ч
1-ч
10
15
-20
-25
о/°
/
О-''
о 1 .....2
-30 5Е—5
0.0005 0.0050 0.500 Запас, отн.ед.
0.5000
а н
ю
0 -5 10 15 20 -25 -30
о °
.о .о
,6
,0'
о 1
- 1 1 2 |
5Е—5 0.0005 0.0050 0.500 Запас, отн.ед.
0.5000
а н
ю
10
15
20
25
/
9
о 1 2
-30 5Е—5
0.0005 0.0050 0.500 Запас, отн.ед.
0.5000
а н
ю
0 -5 10 15 20 25
/...... 9
о 1 .....2
-30 5Е—5
0.0005 0.0050 0.500 Запас, отн.ед.
0.5000
0 -5 10
с
а н
£ -15
ч
1-4 -20
25
30
5Е—5
1
1
/о
о'
- о 1
.....2
Г 1 1 1
0.0005 0.0050
0.500
0.5000
Запас, отн.ед.
0
0
д
Рис. 2. Фактические и расчетные значения (1 — фактические в 2001 г., 2 — расчетные в 2001 г.) запасов 908г в вертикальном профиле почвы лесных насаждений с различным режимом
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.