РАДИАЦИОННАЯ БИОЛОГИЯ. РАДИОЭКОЛОГИЯ, 2014, том 54, № 5, с. 537-546
РАДИОЭКОЛОГИЯ
УДК 574::539.1.04:539.163:58.051
ПРОСТРАНСТВЕННОЕ ВАРЬИРОВАНИЕ КОЭФФИЦИЕНТОВ КВАЗИДИФФУЗИИ В СЕРЫХ ЛЕСНЫХ ПОЧВАХ В ДАЛЬНЕЙ ЗОНЕ ЗАГРЯЗНЕНИЯ ОТ ЧЕРНОБЫЛЬСКОЙ АЭС © 2014 г. Д. Н. Липатов*, А. И. Щеглов
Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, Факультет почвоведения, Москва
Рассчитанные значения коэффициентов квазидиффузии 137С8 за 15-летний период после чернобыльских выпадений в верхней минеральной толще серых лесных почв Тульской области варьируют в пределах 0.18—0.35 см2/год, нарастая в ряду биогеоценозов: сосняк < дубрава < березняк < пастбище. Выявлены корреляционные связи и построены уравнения линейной регрессии для коэффициентов квазидиффузии 137С8 в зависимости от почвенных свойств. Оценки периодов эффективного полувыведения С8 в серых лесных почвах составили: для слоя 0—5 см — 11 — 14 лет, 0—15 см — 22— 25 лет, 0—30 см — 27—28 лет. Рассмотрены периоды, необходимые для снижения содержания 137С8 в 0—5 см слое почв до уровня 37 кБк/м2, с учетом пространственного варьирования выпадений и неоднородности квазидиффузии. Представлены прогнозы вертикальной миграции 137С8 на основе диффузионной модели с пространственно распределенными почвенными параметрами.
137С8, почвенный профиль, пространственное распределение, периоды полувыведения, регрессионные модели.
БО1: 10.7868/80869803114040092
Определение параметров вертикальной миграции техногенных радионуклидов в почвах представляется важной исследовательской задачей для оценки дозиметрических, радиационно-ги-гиенических показателей на загрязненных территориях, а также для прогнозирования распределения радионуклидов в корнеобитаемой толще почвы и их поступления в растения. При описании переноса радионуклидов в почвенных профилях широко используются диффузионные модели. Коэффициенты квазидиффузии 137Cs, полученные в полевых и лабораторных исследованиях [1— 3], составляли от 1.0 х 10-10 до 1.0 х 10-5 см2/с и зависели от состава радиоактивных выпадений, строения и свойств почв. В многолетней динамике после чернобыльских выпадений отмечается снижение расчетных параметров вертикального переноса техногенных радионуклидов в почвах
[1, 4].
Вертикальное распределение техногенных радионуклидов в почвах обычно рассматривается на основе индивидуальных почвенных профилей. Однако даже на безградиентных по загрязнению площадках в ходе миграции радионуклидов про-
* Адресат для корреспонденции: 119991Москва, Ленинские горы, 1, стр. 12, МГУ им. М.В. Ломоносова, фак-т почвоведения, каф. радиоэкологии и экотоксикологии; тел.: (495) 939-50-09; факс: (495) 939-22-11; e-mail: dlip@soil.msu.ru.
является пространственная неоднородность их заглубления в почвах. В почвах различных биогеоценозов, подверженных радиоактивному загрязнению, отмечается увеличение коэффициентов вариации удельной активности техногенных радионуклидов при переходе от верхнего горизонта к нижележащим слоям минеральной толщи [2, 5]. При прогнозировании вертикальной миграции радионуклидов в почвах важно учитывать пространственное варьирование почвенных показателей. По-видимому, в точках с максимальной интенсивностью процессов вертикальной миграции необходимо рассчитывать риск загрязнения для глубоких слоев почвы и почвенно-грунтовых вод. Оценка вертикального переноса радионуклидов в масштабах почвенного покрова ландшафтных комплексов может проводиться на основе моделей с пространственно распределенными параметрами.
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДИКА
Исследования проводились в 2002 г. в Плав-ском и Арсеньевском районах Тульской области. В Плавском р-не выбраны участки в трех лесных биогеоценозах (БГЦ): одновозрастных (50-летних) насаждениях дуба, березы и сосны, расположенных вблизи друг от друга (табл. 1). В Арсе-ньевском районе исследовался участок старопа-
Таблица 1. Характеристика участков исследования
Номер участка Район исследования БГЦ Строение почвенного профиля и тип почвы
1 Тульская область, Плавский район Дубрава разнотравная А0(0-2)-А1(2-26)-АВ(26-50)-В1(50-65)-В2(65-101)- В3(101-155)-ВС(155-175)-ВССа(>175) Темно-серая лесная среднесуглинистая
2 Тульская область, Плавский район Березняк разнотравный А0(0-1)-А1(1-20)-АВ(20-45)-В1(45-71)-В2(71-90)-В3(90-113)- ВСа(113-150)-ВССа(>150) Темно-серая лесная среднесуглинистая
3 Тульская область, Плавский район Сосняк разнотравно-моховый А0(0-3)-А1Е(3-8)-А1(8-24)-АВ(25-46)-В1(46-70)-В2(70-105)-В3Са(105-150)-ВССа(>150) Темно-серая лесная оподзоленная среднесуглинистая
4 Тульская область, Арсеньевский район Пастбище Ар(0-18)-АЕ(18-25)-ЕВ(25-36)-В1(36-61)-В2(61-81)-ВС(81-100) Светло-серая лесная легкосуглинистая
хотной залежи, используемый под пастбище. На каждом участке проводили отбор почвенных образцов по равномерной сетке с шагом 5 м в 25 точках опробования, для пастбищного участка — в 35 точках. На лесных участках раздельно отбиралась подстилка (горизонт А0) и слои гумусово-ак-кумулятивного горизонта А1 по глубинам 0—5 и 5—15 см, на пастбищном участке — старопахотный горизонт Ар по слоям 0—5 и 5—15 см.
Определение удельной активности 137Cs в почвенных образцах проводили на сцинтилляцион-ном гамма-спектрометре с детектором Nal (63 х 63), амплитудный спектр импульсов обрабатывался с помощью программы "Прогресс". Плотность почвы определяли буровым методом, влажность — весовым методом по потере при высушивании [6]. Запас подстилки оценивали на площади 400 см2 над точкой почвенного пробоот-бора. Определение химических показателей в почвенных пробах проводили по стандартным методикам [7]: содержание гумуса (по Тюрину), рНсол, степень насыщенности основаниями, содержание подвижных форм калия (по Кирсанову).
Для расчета коэффициентов квазидиффузии 137Cs использовали приближенное решение уравнения диффузии при однократном поверхностном загрязнении почв [8]:
Q (х, t) = -%-,exp í х
п D, t
4 Б
(1)
где О0 - активность 137С8, поступившего на поверхность почвы, Бк; 0(х, 1) - активность 137С8, зафиксированная в нижележащем слое почвы, Бк; Бк - коэффициент квазидиффузии, см2/с; 1 — время с момента загрязнения, с; х — расстояние,
см. В дальней зоне загрязнения чернобыльские выпадения представлены преимущественно конденсационной компонентой, поэтому описание вертикальной миграции 137С8 выполнено по од-нокомпонентной модели. Расчет проводили для верхней минеральной толщи почв на основе значений плотности загрязнения 137С8 во всем микропрофиле (горизонт А0 + 0—5 см + 5—15 см), что приравнивалось к О0, и слое 5—15 см — 0(х, 1).
При анализе пространственного варьирования коэффициентов квазидиффузии использовали методы математической статистики: оценка статистических показателей, проверка нормального закона распределения на основе критерия Уил-ка—Шапиро, планирование объемов выборки для достоверной оценки среднего, сравнение средних с помощью ¿-критерия Стьюдента, корреляционный и регрессионный анализ [9].
РЕЗУЛЬТАТЫ
Плотность загрязнения 137С8 на исследованных участках соответствует дальней зоне чернобыльских выпадений. На лесных участках Плав-ского района средняя плотность загрязнения составила 268.2—345.6 кБк/м2, на пастбищном участке Арсеньевского района — 165.5 кБк/м2 (табл. 2). Коэффициенты вариации плотности загрязнения 137Сб достаточно низкие: от 17.7 до 19.1%, что указывает на безградиентный характер радиоактивных выпадений на каждом из исследованных участков.
Рассчитанные значения коэффициентов квазидиффузии 137Сб в верхней 0-15-сантиметровой минеральной толще серых лесных почв Тульской области за 15-летний период после чернобыльских выпадений изменяются на исследованных
Таблица 2. Статистические показатели варьирования плотности загрязнения и коэффициентов квазидиффузии 137С8 на исследованных участках
Статистический показатель Плотность загрязнения 137С8, кБк/м2 Коэффициенты квазидиффузии 137С8, см2/год
Участок 1 2 3 4 1 2 3 4
Объем выборки 25 25 25 35 25 25 25 35
Среднее 345.6 268.2 310.5 165.5 0.255 0.267 0.213 0.307
Минимум 229.2 187.9 199.7 101.8 0.214 0.240 0.184 0.275
Максимум 452.2 361.6 421.7 230.7 0.292 0.295 0.252 0.346
Стандартное отклонение 66.1 48.0 54.9 30.0 0.015 0.015 0.021 0.016
Коэффициент вариации, % 19.1 17.9 17.7 18.1 5.8 5.5 9.9 5.1
Коэффициент асимметрии -0.07 0.29 0.14 0.64 -0.23 0.13 0.25 -0.07
Коэффициент эксцесса -1.00 -0.60 -0.20 2.57* 1.38 -0.75 -1.14 0.05
Примечание. Статистически значимые коэффициенты асимметрии и эксцесса (*а < 0.05).
участках в пределах 0.18—0.35 см2/год или (0.6— 1.1) х 10-8 см2/с. Эти значения попадают в нижнюю часть диапазонов коэффициентов квазидиффузии, полученных для почв автоморфных ландшафтов в первые 5 лет после аварии [2], и соответствуют оценкам, рассчитанным на дерново-подзолистых почвах за 20-летний период после чернобыльских выпадений [4]. Сходные и более высокие значения коэффициентов квазидиффузии 137Сб в серых лесных почвах выявлены в лабораторных экспериментах и полевых измерениях на Восточно-Уральском следе на основе модели с кинетикой сорбции-десорбции и двухкомпо-нентной модели [3].
Статистические характеристики коэффициентов квазидиффузии показывают достаточно узкие диапазоны их пространственного варьирования (табл. 2). Наиболее выровненной по интенсивности вертикальной миграции 137С8 является светло-серая лесная почва пастбищного участка, коэффициент вариации — 5.1%, что определяется гомогенным строением ее верхнего старопахотного горизонта. В темно-серой лесной оподзо-ленной почве соснового БГЦ отмечаются наиболее контрастные условия заглубления 137С8, коэффициент вариации — 9.9%, что во многом связано с неравномерной мощностью горизонта лесной подстилки, сформированной в различных парцеллярных позициях сосняка. Варьирование параметров переноса 137С8 в профиле автоморфных почв слабо выражено в условиях относительной однородности свойств почвенно-растительного покрова, но может резко возрастать при неоднородности этих свойств [1].
Проверка по критерию Уилка—Шапиро (а < 0.05) показала, что распределение плотности загрязнения и коэффициентов квазидиффузии 137Сб для всех у
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.