ОСНОВНЫЕ ОСОБЕННОСТИ ЕСТЕСТВЕННОЙ

УДК 631.438
ПРИРОДНЫЕ И ТЕХНОГЕННЫЕ ФАКТОРЫ ЕСТЕСТВЕННОЙ
РАДИОАКТИВНОСТИ ПОЧВ ЦЕНТРА РОССИИ
Н.Н. Дубенок1, академик РАСХН, профессор,
С.А. Тобратов2, кандидат биологических наук,
Ю.А. Мажайский3, доктор сельскохозяйственных наук, профессор,
Г.А. Кононова4, кандидат биологических наук
1
Российский государственный аграрный университет – МСХА им. К.А.
Тимирязева, 127550, Москва
2
Рязанский государственный университет имени С.А. Есенина, 390000, Рязань
E-mail: [email protected]
3
Мещерский филиал Всероссийского научно-исследовательского института
гидротехники и мелиорации им. А.Н. Костякова РАСХН, 390021, Рязань
4
Рязанский филиал ФГУ «Рослесозащита», 390044, Рязань
E-mail: [email protected]
Дана оценка пространственных закономерностей распределения радионуклидов
в почве на примере одного из регионов Центральной России. Определен
уровень их накопления, типичный для различных режимов почвообразования.
Рассмотрена роль почвообразовательных процессов и техногенеза в
формировании естественного радиационного фона территории. Отмечено
отсутствие природных и техногенных механизмов сверхнормативной
аккумуляции естественных радионуклидов в современных ландшафтах
региона.
Ключевые слова: почва, естественная радиоактивность, ландшафты Центра
России
Естественный радиационный фон обусловлен космическим излучением, а
также наличием радиоактивных элементов в земной коре, водоемах, атмосфере.
При этом на долю эндогенных радионуклидов (без учета радона) приходится
свыше 25% облучения населения РФ природными источниками, что составляет
около 20% годовой дозы облучения от всех источников, включая
антропогенные (0,77 мЗв/год из суммарных 4,06 мЗв/год) [1]. Вклад
естественных радионуклидов (ЕРН), наиболее распространенных в горных
породах – 232Th, 226Ra и 40K – в 2 раза значительнее, чем космических лучей, и
уступает только радоновым эманациям и медицинскому облучению. С одной
стороны, радиоактивные элементы являются необходимой составляющей
питательных сред, без которых невозможно развитие не только растительных,
но и животных организмов [2], с другой, в повышенных дозах увеличивают
риск заболеваний лейкемией, снижают скорость кровотока и жизненные
функции ряда органов, оказывая на них хроническое действие.
Как известно [1-3], радиоизотопы 232Th, 226Ra и 40K принадлежат к
различным радиоактивным семействам и характеризуются определенными
различиями в ландшафтно-геохимических особенностях. Так, торий
присутствует в почвах, главным образом, в форме изоморфных примесей в
минералах – в первичных кислых силикатах, в кристаллическую решетку
которых данный элемент встраивается легче. Калий, в том числе
радиоактивный 40К, также может быть изоморфной примесью и, кроме того,
интенсивно сорбируется глинами – гидрослюдами и монтмориллонитом. Для
радия, кроме изоморфного замещения, большое значение имеют
радиоактивный распад 238U в породах (радий – продукт данного распада), а
также избирательное поглощение высшими растениями. Данное свойство
растительных организмов, очевидно, унаследовано ими от древних форм
жизни, для которых имела значение собственно радиоактивность Ra, как
дополнительный источник энергии [4]. По указанным причинам следует
ожидать роста содержания ЕРН в почвах тяжелого состава, а для радия также
должна играть роль гумусированность почв и наличие в среде родоначальника
радиоактивного семейства – урана.
Цель настоящей работы заключалась в оценке пространственных
закономерностей естественного радиационного фона, роли почвообразования и
техногенеза как факторов распределения природных радионуклидов, и
возможности избыточного концентрирования последних в условиях Центра
России (на примере ландшафтов Рязанской области).
Методика. Территория полевых исследований (площадь около 15000 км2)
характеризуется типичным для Рязанского региона соотношением природных
ландшафтов и включает различные по природным особенностям территории –
от Мещерской низменности до Среднерусской возвышенности и окскодонского водораздела, включая г. Рязань и зону воздействия Рязанской ГРЭС.
Исследовано свыше 100 образцов почв различных генетических типов, а также
почвообразующих пород и природных материалов, используемых в
строительстве, энергетике, медицине. Определяли удельную активность
основных ЕРН – 232Th, 226Ra и 40K на спектрометрическом комплексе «Гамма
Плюс» [5]. При обработке данных использовали картографический метод и
методы математической статистики (дисперсионный, регрессионный,
корреляционный, вариационный, кластерный анализ). Данные по фоновым
экосистемам и зонам техногенного загрязнения анализировали раздельно.
Результаты и обсуждение. По средним данным [1], содержание ЕРН в
зональных почвах возрастает с севера на юг (от подзолистых почв тайги до
сероземов субтропиков) в 4-5 раз в связи с улучшением условий для
накопления элементов. Следовательно, зональный фон ЕРН находится в
обратной зависимости от коэффициента увлажнения. В Рязанском регионе, в
условиях сравнительно однородного климата, основную роль играет
гранулометрический состав почв. Различия в содержании ЕРН в почвах разных
типов почвообразования статистически достоверны при р>99%, причем
наиболее принципиальные различия наблюдаются между почвами легкого и
тяжелого состава (табл. 1).
Таблица 1
Содержание естественных радионуклидов (Бк/кг)
в гумусовом горизонте (0-20 см) почв различных типов почвообразования
(результаты дисперсионного анализа)
232
Типы почв
1. Серые лесные (преимущественно легко- и
среднесуглинистые, распространены на
Окско-Донской равнине и в меньшей
степени на Среднерусской возвышенности)
2. Дерново-подзолистые (преимущественно
песчаные, преобладают в ландшафтах
Мещерской низины и Раново-Пронского
зандра)
3. Черноземы (преимущественно средне- и
тяжелосуглинистые, распространены на
Среднерусской возвышенности и в меньшей
степени на Окско-Донской равнине)
4. Аллювиальные суглинистые
5. Аллювиальные песчаные
6. Почвы западин*
7. Серые лесные зоны воздействия
Рязанской ГРЭС**
8. Болотные торфяные (Мещера)
rw

226
Th
Х
V
Ra
Х
V
40
Х
K
V
38,61 12,0 36,28 24,6 515,9 10,5
8,65 71,0 14,58 40,6 151,5 42,0
35,73 15,4 34,81 18,3 451,0 11,1
36,51 24,8 35,53 46,9 485,7 26,8
14,90 47,9 15,85 39,7 199,6 31,1
32,67 17,4 37,37 27,1 514,7 12,2
42,22 10,7 39,97 22,0 569,0 8,4
3,60 23,6 21,10 66,4 24,1 64,0
0,851
0,561
0,873
-22
-9
7*10
4*10
9*10-24
Примечания: Х – среднее значение, Бк/кг; V – коэффициент вариации, %;
rw – внутриклассовый коэффициент корреляции, характеризующий влияние фактора
(в данном случае – группировка по типам почв) на результативный признак и
рассчитываемый по формуле:
 2  z2
rw  2 A
,
 A  (nc  1)   z 2
где А2 и z2 – соответственно факториальная и случайная дисперсии значений
концентраций, nс – усредненный объем градаций изучаемого фактора;
 – уровень значимости.
*Согласно «Классификации почв СССР» (1977) – дерново-подзолистые
поверхностно-глеево-элювиальные почвы.
**В радиусе 0-12 км.
Активность 232Th и 40K в песчаных почвах (Мещера, Раново-Пронский
долинный зандр) была значительно меньше фонового уровня для зоны
подтайги [1] – практически на уровне, типичном для экосистем северной тайги.
Это связано с многократным перемывом и переотложением почвообразующих
пород данной территории в ледниковые эпохи плейстоцена. Наибольшая
активность всех ЕРН отмечена в почвах зоны воздействия Рязанской ГРЭС,
что, вероятно, обусловлено атмотехногенезом. Причем максимумы содержания
радионуклидов выявлены к северо-востоку от предприятия – по направлению
основного переноса выбросов. Можно предположить, что данные максимумы
формируются в основном зимой, когда в регионе преобладают юго-западные
ветры, а в топливном балансе станции ведущее место занимает уголь –
источник радиоактивных зольных элементов [3].
В торфяниках Мещеры содержание 232Th и 40K в 2-4 раза меньше, чем в
среднем по органическим почвам Европейской части РФ [1], так как
торфонакопление протекает в окружении озерно-аллювиальных песков,
исходно бедных радионуклидами. Следовательно, Мещера – региональный
минимум активности большинства радиоизотопов. Однако 226Ra является
характерным исключением. Снижение его содержания в песчаных дерновоподзолистых почвах по сравнению с суглинистыми – серыми лесными и
черноземами – не столь существенное (в 2,5 раза), при этом снижение
содержания 232Th и 40K достигает 4 раз (см. табл. 1). В данном случае
дополнительным источником радия становится радиоактивный распад урана.
Если учесть концентрирование урана в кислых изверженных породах [2,3] и то,
что четвертичные пески являются продуктом выветривания пород,
подвергшихся ледниковой экзарации на Карельском щите, становится
объяснимым относительно повышенное по сравнению с другими
радионуклидами содержание 226Ra в песчаных отложениях и почвах, развитых
на них. Кроме того, в мещерских торфяных почвах 226Ra, в отличие
«литофильных» 232Th и 40K, накапливается за счет биоконцентрирования: его
больше, чем в минеральных почвах Мещеры, в 1,5 раза (типы 2 и 8 в табл. 1).
Интенсивное накопление радия растениями – на фоне явного блокирования
биопоглощения такого техногенного элемента, как 137Cs – проявляется во всем
Рязанском регионе (рис. 1). Вклад указанных факторов приводит к тому, что
тип почвы определяет пространственное варьирование 226Ra лишь на 56%,
тогда как других ЕРН – на 85-87%.
Как видно из табл. 1, максимальное варьирование свойственно
содержанию радионуклидов в торфяниках (вследствие геохимических различий
между верховым и низинным торфом) и в дерново-подзолистых почвах. В
последнем случае это обусловлено тем, что такие почвы развиваются на
породах, обладающих сходным механическим составом, но значительно
различающихся по генезису и возрасту (от днепровского оледенения до
голоцена). На втором месте по вариабельности – накопление ЕРН в условиях
нестационарного аллювиального процесса.
В соответствии с алгоритмом, изложенным в НРБ-99 [6], была рассчитана
эффективная удельная активность природных радионуклидов, содержащихся в
верхних (0-20 см) горизонтах почв (Аэфф):
Аэфф= АRa + 1,3АTh + 0,09АK
и определено долевое участие каждого элемента в суммарной Аэфф (рис. 2).
Ах
Бк/кг
400
35
350
30
Ах
300
25
250
20
200
15
150
10
100
5
50
0
0
Cs-137, Бк/кг
Th-232, Бк/кг
Ra-226, Бк/кг
K-40, Бк/кг
Рис. 1. Средние значения удельной активности (Бк/кг воздушно-сухого
вещества) радионуклидов в почве (первый столбик) и растениях (второй
столбик), и коэффициентов их биопоголощения (Ах, по Перельману [3])
Можно заключить, что в почвенно-геохимических условиях Рязанского
региона отсутствуют механизмы, способные обеспечить превышение
показателей Аэфф для материалов I и II классов, используемых в строительстве в
пределах населенных пунктов (соответственно 370 и 740 Бк/кг [6]).
Атмотехногенное воздействие Рязанской ГРЭС увеличивает Аэфф почвенного
покрова, но незначительно: в 1,1 раза по сравнению с зональным фоном.
Отмечено снижение удельной активности ЕРН в почвах легкого состава
(дерново-подзолистых и аллювиальных песчаных), менее значительное – в
поймах вследствие частичной аккумуляции мигрирующих элементов.
Минимальной Аэфф отличаются органические почвы. Соотношение
радиоизотопов, несмотря на различия в генезисе почв и колебания Аэфф,
остается в целом практически неизменным, даже вблизи ГРЭС: реализуется ряд
торий>калий>радий. Исключением являются дерново-подзолистые почвы и
особенно торфяники, где 226Ra занимает первое место, обеспечивая
соответственно 37 и 75% суммарной активности почв.
По результатам исследований составлены радиогеохимические
картосхемы распределения ЕРН в почвах региона, на которых показана
зависимость активности радионуклидов от механического состава почв:
минимумы отмечены в почвах Мещеры, Раново-Пронского зандра, в
аллювиальных почвах легкого состава (средние течения многих рек), на
внутрипойменных песчаных останцах первой и второй надпойменных террас. В
Спасско-Шиловской пойме р. Оки – в условиях тектонического погружения
территории и активной аккумуляции тонкодисперсного суглинистого аллювия
выявлен устойчивый региональный максимум ЕРН. Аналогичный, но менее
контрастный максимум обусловлен, по-видимому, техногенным фактором и
приурочен к зоне основного переноса выбросов от Рязанской ГРЭС. Отличия
226
Ra от 232Th и 40K связаны с гораздо меньшей зависимостью 226Ra от
гранулометрического состава почв: пространственный градиент активности
232
Th между песчаными почвами Мещеры и аллювиальными суглинистыми
почвами Окской поймы в несколько раз выше. Кроме того, 226Ra накапливается
в торфяных почвах верховых и переходных болот, а 232Th – в минеральных
почвах юго-восточной Мещеры, являясь маркером трансгрессий Окской
поймы, происходивших здесь в эпоху последнего, валдайского оледенения.
Характерно, что и современные процессы развития долины р. Оки идут по тому
же сценарию.
сл
дп
типы почв
ч
Th-232
алл(с)
Ra-226
алл(п)
K-40
зап
сл(ГРЭС)
т
0
20
40
60
80
100
120
140
160
Аэфф, Бк/кг
Рис. 2. Эффективная удельная активность гумусовых горизонтов почв
Примечание: типы почв (группы дисперсионного комплекса): сл – серые лесные; дп –
дерново-подзолистые; ч – черноземы; алл(с) – аллювиальные суглинистые; алл(п) –
аллювиальные песчаные; зап - дерново-подзолистые поверхностно-глеево-элювиальные
почвы западин; сл(ГРЭС) – серые лесные почвы в зоне воздействия Рязанской ГРЭС; т –
болотные торфяные (верховые и низинные болота Мещеры).
Природные материалы, разрабатываемые в регионе и используемые в
качестве топлива, удобрений, строительного сырья и лечебных ресурсов
(торфяные лечебные грязи), по величине Аэфф располагаются в следующий ряд
по возрастанию активности ЕРН (рис. 3): кварцевые пески – низинные
торфяники Мещеры – верховые торфяники Мещеры – карбоновые известняки
(во всех случаях преобладает эффективная активность 226Ra) – низинные
торфяники юга области (примерное равенство терригенного 232Th и биогенного
226
Ra) – глины юрского возраста (преобладает 40К) – каменноугольные глины
(преобладает 40К и наблюдается превышение по Аэфф для стройматериалов I
класса: 430 Бк/кг против максимально возможных 370 Бк/кг). Таким образом,
карбоновые глины – наиболее яркий пример сверхнормативной аккумуляции
ЕРН. Зональные условия седиментации (главным образом влажный
экваториальный климат) способствовали избыточному обогащению данных
пород радиоактивным калием, что ограничивает возможности их
использования в качестве стройматериалов. Следует отметить, что образец
карбоновых глин был отобран в карьере Рязанского кирпичного завода. Другие
исследованные материалы могут использоваться без ограничений.
Аэфф, Бк/кг
0
50
100
150
200
250
300
350
400
450
а
б
в
Th-232
Ra-226
K-40
г
д
е
ж
Рис. 3. Эффективная удельная активность природных материалов
Примечание: а – строительные глины каменноугольного возраста; б – юрские глины; в
– неогеновые пески; г – строительные известняки каменноугольного возраста; д – торфяные
лечебные грязи: раннеголоценовый низинный торфяник в долине одной из малых рек ОкскоДонской равнины; е – верховой торфяник Мещерской низменности; ж – низинный торфяник
Мещерской низменности.
Перераспределение ЕРН в почвенном профиле под влиянием
почвообразовательных процессов изучали на примере активно развивающейся
суффозионной западины на слабо дренированном участке водораздела Оки и
Дона. Основным почвообразовательным процессом в западинах лесостепной
зоны является кислотный гидролиз, обусловливающий четко выраженную
элювиально-иллювиальную дифференциацию профиля [7]. Отмечен слабый
вынос ЕРН из гумусового горизонта и слабая аккумуляция их в элювиальном
горизонте А2 под влиянием типичных для данных почв процессов: соосаждения
элементов с новообразованными гидроксидами железа и гидрослюдизации
(табл. 2). Поглощение гидрослюдами наиболее значительно для калия, поэтому
распределение 40К по изученным горизонтам наиболее контрастно (в горизонте
А2 на 20% выше, чем в А1, для других ЕРН различия составляют 9-13%).
Между тем тяжелые металлы (ТМ) в данных почвах гораздо динамичнее
(табл. 2): в частности, свинец в горизонте А1 под влиянием кислотного
гидролиза в основном переведен в водорастворимое состояние и активно
выносится. Биофильные элементы – медь и цинк накапливаются в гумусовом
горизонте западины, а токсиканты – свинец и кадмий выносятся из него,
частично аккумулируясь в А2. Таким образом, две группы ТМ, различающиеся
по степени биофильности, принципиально различны и по миграционным
формам, что уже отмечалось нами ранее [8]. Характерно, что радионуклиды по
своему поведению в почвах сходны с токсичными ТМ (табл. 2) и включены в те
же пути миграции. Впрочем, очевидно и то, что формы нахождения ТМ и ЕРН
существенно различаются: последние закреплены в почвенной матрице
многократно прочнее.
Таблица 2
Влияние глеегенной деградации почв на удельную активность радионуклидов
(Бк/кг) и концентрацию валовых и подвижных форм тяжелых металлов (мг/кг)
Элементы,
единицы
измерения
232
ЕРН, Бк/кг
ТМ*, мг/кг
Th
Ra
40
K
Cu
Zn
Pb
Cd
226
Объекты исследования
Почва
Чернозем выщелоченный на
западины,
водоразделе, горизонт Апах
горизонт А1
38,1
36,4
32,5
28,1
483
465
12,1 (1,7%)
9,76 (1,2%)
29,8 (2,9%)
21,1 (3,1%)
6,07 (19,2%)
3,40 (74,7%)
0,38 (15,3%)
0,29 (10,7%)
Почва
западины,
горизонт А2
41,9
30,9
584
6,82 (5,0%)
12,7 (4,7%)
6,07 (15,2%)
0,38 (10,5%)
*в скобках – степень подвижности (процентная доля обменных и водорастворимых
форм, извлекаемых ацетатно-аммонийным буферным раствором с рН 4,8)
Заключение. Таким образом, естественный радиационный фон
контролируется важнейшими почвенно-геохимическими закономерностями, а
для некоторых элементов (226Ra) – и избирательной активностью живых
организмов (преимущественно растений). Кислотный гидролиз и сопряженные
процессы, по крайней мере при их высокой интенсивности, способны
приводить к мобилизации и перераспределению ЕРН в почве. При этом их
геохимия сходна с поведением в ландшафте пассивно мигрирующих
токсикантов (Pb и Cd), хотя интенсивность миграции значительно ниже.
Представляет интерес исследование роста водной миграции радиоактивных
элементов и изменения их доступности растениям под влиянием кислотного
гидролиза, который, как известно [7], активизируется под влиянием текущих
климатических изменений. В современных ландшафтах Рязанской области нет
природных и техногенных механизмов сверхнормативной аккумуляции
естественных радионуклидов в почвах. Однако в глинах каменноугольного
возраста такое накопление наблюдается, что обусловливает актуальность
радиоэкологического мониторинга стройматериалов.
Литература. 1. Старков В.Д., Мигунов В.И. Радиационная экология. –
Тюмень: ФГУ ИПП «Тюмень», 2003. 2. Белоусова И.М., Штуккенберг Ю.М.
Естественная радиоактивность. – М.: Медгиз, 1961. 3. Перельман А.И.,
Касимов Н.С. Геохимия ландшафта. – М., «Астрея-2000», 1999. 4.
Вернадский В.И. О концентрации радия живыми организмами. – Докл. АН
СССР, 1929, №2. 5. Методика измерения активности радионуклидов с
использованием сцинтилляционного гамма-спектрометра с программным
обеспечением «Прогресс». – М., НПО ВНИИФТРИ, 1993. 6. СП 2.6.1. 75899. Нормы радиационной безопасности (НРБ-99). 7. Зайдельман Ф.Р.
Процесс глееобразования и его роль в формировании почв. – М.: Изд-во
МГУ, 1998. 8. Мажайский Ю.А., Тобратов С.А., Дубенок Н.Н., Пожогин
Ю.П. Агроэкология техногенно загрязненных ландшафтов. – Смоленск:
«Маджента», 2003.