Радиоактивные элементы в почвах и растительности островных территорий Российской Арктики (остров Мейбел, остров Северный, остров Колгуев)

Островные территории Российской Арктики характеризуются транспортной труднодоступ-ностью, отдалённостью от социальной инфраструктуры и малой изученностью. В начале XXI века актуальность изучения территорий Российской Арктики возросла. Актуальность исследования островных территорий Российской Арктики обусловлена многими факторами, такими как глобальное потепление климата, трансформация островных ландшафтов, угроза для зональных экосистем при освоении природных ресурсов данных территорий.

Согласно обзору научных публикаций, в период развития современного глобального потепления российскими учёными изучается изменение климата Арктики. По научным публикациям Г.В. Алексеева [1, 2] в Российской Арктике наблюдается проявление и усиление глобального потепления. Д.С. Мосеевым и соавт. [3, 4] проведены исследования растительного покрова островов архипелага Земля Франца-Иосифа и северной части архипелага Новая Земля.

Лукошкова А.А. * – ст. науч. сотр., к.б.н.; Яковлев Е.Ю. – зав. лаб., к.геол.-мин.н.; Пучков А.В. – ст. науч. сотр., к.геол.-мин.н. ФГБУН ФИЦКИА УрО РАН. Каверин Д.А. – ст. науч. сотр., д.геогр.н. ИБ ФИЦ Коми НЦ УрО РАН. Липкина А.Е. – магистр. СПбГУ.

О.В. Лавриненко, И.А. Лавриненко [5] проведены исследования растительного покрова на острове Колгуев. Г.С. Потаповым и соавт. [6] изучена фауна шмелей на острове Колгуев. А.Г. Шматовой [7] изучена пространственная организация почвенного покрова на острове Колгуев. Пространственное распределение естественных и техногенных радионуклидов изучено в почвах острова Южный [8]. Современные радиоэкологические исследования экосистем острова Мейбел, острова Северный и острова Колгуев не проводились.

В рамках данного исследования в почвах и растительности, отобранных на островных территориях Российской Арктики (остров Мейбел, остров Северный, остров Колгуев), определены альфа- и бета-активность, удельная активность природных и техногенных радиоактивных элементов; изучены физико-химические параметры почв. Цель данного исследования – впервые изучить радиоактивные элементы в почвах и растительности островных территорий Российской Арктики.

Материалы и методы

Объектами исследования являются почвы, растительность островных территорий Российской Арктики, расположенных в Баренцевом море (рис. 1). Первый исследуемый участок локализован в южной части острова Мейбел (архипелаг Земля Франца-Иосифа). Второй исследуемый участок находится в прибрежной части острова Северный (залив Русская гавань, архипелаг Новая Земля). Третий исследуемый участок размещён на юго-восточном побережье острова Колгуев (Ненецкий автономный округ, вблизи посёлка Бугрино). На участках заложены почвенные разрезы. Ландшафты исследуемых островов представлены на рис. 2-4. На каждом почвенном разрезе отобраны пробы растительности. В полевых условиях проведено описание почвенных разрезов и проведён отбор проб почв из каждого генетического горизонта для определения физико-химических свойств почв и радиоактивных элементов в почвах. Таксономические названия почв и индексация почвенных горизонтов даны в соответствии с принципами Классификации и диагностики почв России [9]. Пробы отобраны согласно ГОСТ 17.4.3.01-2017 [10]. На острове Северный произведён отбор проб красного и серого сланцев.

В лабораторных условиях отобранные пробы почв и растительности сушили на воздухе (для определения физико-химических параметров почв) и в сушильном шкафу при температуре 105 °С до воздушно-сухого состояния (для определения радиоактивных элементов в почвах и растительности). Из сухих и подготовленных проб почв и растительности отбирали навески для анализов. Навески взвешивали на аналитических весах.

В пробах почв определены зольность (А sh ), массовая доля карбонатов (СО 3 ^2-), массовая доля органического вещества (X). Зольность и массовая доля карбонатов определена гравиметрическим методом [11-13]. Массовая доля органического вещества определена расчётным методом, учитывая зольность [11, 13].

В пробах почв и растительности радиометрическими методами определены альфа- и бета-активность торфа, удельная активность природных и техногенных радиоактивных элементов: 137Cs, 226Ra, 232Th, 40K, 241Am, 210Pb, 7Be. Параметры по альфа- и бета-излучению определены с применением альфа-бета радиометра РКС-01 «Абелия» (НТЦ Амплитуда, Россия). Удельные активности радионуклидов 137Cs, 226Ra, 232Th, 40K, 241Am, 210Pb, 7Be определены с применением низкофонового полупроводникового гамма-спектрометра ORTEC (США) на основе коаксиального детектора GEM10 из особо чистого германия (HPGe) с цифровым анализатором и программным обеспечением (MAESTRO-32 и GAMMA-VISION-32). Относительная погрешность измерений составляет не более 15% в зависимости от типа прибора и метода измерения.

Рис. 1. Карта-схема участков исследования: I – остров Мейбел; II – остров Северный; III – остров Колгуев.

Рис. 2. Ландшафт острова Мейбел.

Рис. 3. Ландшафт острова Северный.

Рис. 4. Ландшафт острова Колгуев.

Между физико-химическими параметрами почв и удельной активностью радиоактивных элементов в почвах выявлены зависимости с помощью математического корреляционного анализа. Произведён расчёт коэффициента накопления радиоактивных элементов растительностью по формуле, предложенной И.Н. Бекманом [14]. Полученные данные сопоставлены со средними мировыми значениями и с установленными безопасными нормами.

Результаты и обсуждение

Морфология и физико-химические параметры почв

На острове Мейбел сформировались псаммоземы – слаборазвитые почвы, профиль которых состоит из подстилочно-торфяного горизонта, залегающего непосредственно на почвообразующей породе.

Почвы острова Северный представлены литоземами, для которых также характерна значительная каменистость. Однако почвы острова Северный уже имеют выраженные зональные признаки почвообразования: под маломощной слаборазложившейся подстилкой залегают минеральные оглеенные или глеевые горизонты. Оглеение профиля объясняется неглубоким подстиланием плотных сланцев, представленных не фрагментированной массой, а крупными (неокатанными) глыбами. Особенностью почв острова Северный является преобладание в структуре почвенного покрова выходов коренных пород и почвоплёнок, а также грязно-серобурая окраска почв, унаследованная от материнских пород (разнообразных сланцев и известняков) [15].

На острове Колгуев в почвах происходит процесс, в котором ведущую роль имеет превращение органической части почвенной массы – торфонакопление, сопровождающееся накоплением на поверхности почвы, благодаря замедленной гумификации и минерализации органических веществ, полуразложившихся растительных остатков. Предпосылкой для развития торфо-накопления (формирования глеевых и торфяных олиготрофных почв) является продолжительный застой влаги в почвенной толще.

Физико-химические показатели почв островов разные. Зольность почв острова Мейбел находится в диапазоне 91-95%, острова Северный – 44-93%, острова Колгуев – 3,6-96%. Почвы острова Мейбел и острова Северный характеризуются как высокозольные, что обусловлено процессами почвообразования, в которых ведущую роль играет превращение минералов и вулканической пыли в почву. Массовая доля карбонатов – компонента минеральной части – в почвах острова Мейбел находится в интервале 0,56-1,2%, острова Северный – 1,7-8,5%, острова Колгуев – 0,11-0,74%. Почвы острова Мейбел и острова Колгуев характеризуются как слабокарбо-натные (CO 3 ^2-˂2,0%), почвы острова Северный являются карбонатными (CO 3 ^2-≥2,0%). Карбонат-ность почв острова Северный объясняется наличием карбонатов среди продуктов выветривания почвообразующих (материнских) карбонатных пород.

Массовая доля органического вещества в почвах островов Мейбел и Северный низкая и составляет 2,7-5,6% и 5,2-54% соответственно. Массовая доля органического вещества в почвах острова Колгуев составляет 3,0-96%.

Удельная активность радиоактивных элементов в почвах

Альфа-активность почв островных территорий Российской Арктики находится в интервале 37-870 Бк/кг; бета-активность – 38-1060 Бк/кг.

Почвы острова Мейбел и острова Колгуев имеют наименьшую радиационную активность, при этом альфа-активность находится в интервале 130-310 Бк/кг и 37-440 Бк/кг соответственно, бета-активность – 165-490 и 38-720 Бк/кг также соответственно. Наибольшая активность почв зафиксирована на острове Северный: альфа-активность почв составляет 370-870 Бк/кг; бета-активность – 810-1060 Бк/кг. Полученные данные по удельной активности радиоактивных элементов в пробах почв островов представлены в табл. 1.

Таблица 1

Средние значения и интервалы удельной активности радиоактивных элементов в почвах островных территорий Российской Арктики

Территория	Удельная активность, Бк/кг
	226 Ra		232 Th		241 Am		40 K		210 Pb		7Be		137 Cs
Остров Мейбел	7,7	4,6-9,6	10	3,1-18	2,8	0,40-6,0	225	96-330	30	4,0-110	0,0	0,0	8,0	0,70-30
Остров Северный	22	15-28	36	28- 45	4,0	0,90-9,0	662	480-810	86	20-360	25	20-29	13	0,61-64
Остров Колгуев	6,8	1,6-13	6,8	1,7-22	1,1	0,43-2,4	150	22-530	64	5,0-260	0,0	0,0	14	0,70-77

В верхних горизонтах почвенных профилей (гумусово-слаборазвитом горизонте, подстилочно-торфяном горизонте и почвообразующей породе) острова Мейбел концентрируется альфа- и бета-активность. Альфа-активность почв представлена излучениями природных радиоактивных элементов: 226Ra (4,6-9,6 Бк/кг), 232Th (3,1-18 Бк/кг) и излучением техногенного радиоактивного элемента – 241Am (0,40-6,0 Бк/кг). Бета-активность почв в основном обусловлена излучениями природных радиоактивных элементов: 40K (96-330 Бк/кг), 210Pb (4,0-110 Бк/кг), техногенным радиоактивным элементом: 137Cs (0,70-30 Бк/кг).

На острове Северный альфа- и бета-активность концентрируется во всех горизонтах почвенного профиля (подстилочно-торфяном горизонте, почвообразующей породе и плотной подстилающей горной породе). Альфа-активность почв обусловлена излучениями природных радиоактивных элементов: 226Ra (15-28 Бк/кг), 232Th (28-45 Бк/кг) и излучением техногенного радиоактивного элемента – 241Am (0,90-9,0 Бк/кг). Бета-активность почв в основном обусловлена излучениями природных радиоактивных элементов: 40K (480-810 Бк/кг), 210Pb (20-360 Бк/кг), 7Be (20-29 Бк/кг), техногенным радиоактивным элементом: 137Cs (0,61-64 Бк/кг).

На острове Колгуев альфа- и бета-активность концентрируется как в верхних, так и в нижних горизонтах почвенного профиля. Альфа-активность почв формируется излучениями природных радиоактивных элементов: 226Ra (1,6-13 Бк/кг), 232Th (1,7-22 Бк/кг) и излучением техногенного радиоактивного элемента – 241Am (0,43-2,4 Бк/кг). Бета-активность почв в основном обусловлена излучениями природных радиоактивных элементов: 40K (22-530 Бк/кг), 210Pb (5,0-260 Бк/кг), техногенным радиоактивным элементом: 137Cs (0,70-77 Бк/кг).

Необходимо отметить, что в альфа-активность почв островов, возможно, вносит вклад природный элемент 210Po, являющийся продуктом распада в радиоактивной цепочке 238U. Значения удельной активности природных радиоактивных элементов (226Ra, 232Th, 40K) в почвах островов меньше средних мировых значений (33 Бк/кг, 45 Бк/кг и 420 Бк/кг соответственно) за исключением 40К в почвах острова Северный и двух нижних горизонтах почвенного профиля Kl R1, отобранного на острове Колгуев. В почвах острова Северный и в почвенном профиле Kl R1 острова Колгуев зафиксированы повышенные удельные активности 40K. Удельная активность 40К в почвах острова Северный в 1,1-1,9 раза превышает среднее мировое значение, острова Колгуев – в 1,1-1,3 раза. Удельная активность техногенных радиоактивных элементов 137Cs и 241Am в почвах всех островов не превышает установленный безопасный норматив 10000 Бк/кг и 1000 Бк/кг соответственно [16].

Высокая удельная радиоактивность почв на острове Северный обусловлена высокой удельной активностью коренных пород (сланцев), преобладающих в структуре почвенного покрова. Альфа-активность красного сланца составляет 380-400 Бк/кг, бета-активность серого – 1080-1200 Бк/кг. Высокая удельная бета-активность сланцев вызвана активностью природного радиоактивного элемента ⁴⁰К (880-1070 Бк/кг). При математическом корреляционном анализе выявлены прямые зависимости между удельной активностью природных радиоактивных элементов и зольностью почв: ²²⁶Ra и A sh (r=0,72±0,12); ⁴⁰К и A sh (r=0,60±0,15), а также обратные зависимости между удельной активностью природных радиоактивных элементов и долей органического вещества почв: ²²⁶Ra и Х (r=–0,72±0,12); ⁴⁰К и Х (r=–0,58±0,16).

В почвах острова Колгуев между удельной активностью природных радиоактивных элементов (²²⁶Ra, ²³²Th, ⁴⁰К) и зольностью установлены сильные прямые зависимости (r=0,99) и обратные прямые зависимости между удельной активностью данных природных радиоактивных элементов и долей органического вещества (r=–0,99). Также прямые зависимости установлены между удельной активностью природных радиоактивных элементов и массовой долей карбонатов: ²³²Th, ⁴⁰K и CO 3 ^2- (r=0,94±0,04); ²²⁶Ra и CO 3 ^2- (r=0,98±0,02).

Корреляционные зависимости между удельной активностью радиоактивных элементов и физико-химическими показателями почв представлены в матрице (рис. 5).

Остров Мейбел           Остров Северный           Остров Колгуев

	Ash	CO 32-	X		Ash	CO 32-	X		Ash	CO 32-	X
137Cs	• -0,61	о 0,39	• 0,65	137Cs	о -0,44	о 0,13	о 0,43	137Cs	■ -0,11	о 0,05	о 0,09
226Ra	о 0,31	о 0,45	С) -0,30	226Ra	• 0,72	• -0,55	• -0,72	226Ra	• 0,99	• 0,98	• -0,99
232Th	о -0,04	• 0,55	о 0,29	232Th	о 0,40	о -0,48	о -0,38	232Th	о 0,99	• 0,94	• -0,99
40K	в -0,25	• 0,81	о 0,37	40K	• 0,60	• -0,53	• -0,58	40K	о 0,99	• 0,94	• -0,99
210Pb	О 0,05	о-0,14	о -0,06	210Pb	о -0,47	о 0,21	о 0,42	210Pb	о -0,21	о-0,16	о 0,20
241Am	• 0,66	о-0,15	о -0,45	241Am	о -0,32	о -0,05	о 0,21	241Am	• 0,97	• 0,97	• -0,97

Рис. 5. Корреляционные зависимости в почвах островных территорий Российской Арктики между удельной активностью радиоактивных элементов и физико-химическими показателями: зеленый круг, красный круг – значимые корреляционные связи; желтый круг – незначимые корреляционные связи

Удельная активность радиоактивных элементов в растительности

На острове Мейбел преобладают листостебельные мхи Tomentypnum nitens (Hedw.) Loeske , Ptychostomum cryophilum (Mårtensson) J.R.Spence. и покрытосеменные растения Cerastium regelii Ostenf . На острове Северный растут покрытосеменные растения Phippsia algida (Sol.) R.Br. , Saxifraga sp. , листостебельные мхи Sanionia uncinata (Hedw.) Loeske и сумчатые грибы Stereocaulon sp . На острове Колгуев растут сфагновые мхи Sphagnum russowii Warnst. , листостебельные мхи Aulacomnium turgidum (Wahlenb.) Schwägr. и сумчатые грибы Cladonia sp .

Радиоактивные элементы накапливаются в растительности островных территорий Российской Арктики. Удельная активность растительности выше удельной активности почв. Альфа-активность растительности островных территорий Российской Арктики находится в интервале 81-1040 Бк/кг; бета-активность – 280-1200 Бк/кг.

Растительность острова Северный имеет наибольшую суммарную удельную альфа- и бета-активность (220-1040 Бк/кг и 400-1200 Бк/кг соответственно). Суммарная удельная альфаи бета-активность растительности острова Мейбел находится в интервале 340-720 Бк/кг и 550-880 Бк/кг соответственно. Растительность острова Колгуев имеет наименьшую суммарную удельную альфа- и бета-активность: суммарная удельная альфа-активность находится в интервале 81-370 Бк/кг, суммарная удельная бета-активность – 280-450 Бк/кг. В табл. 2 приведены средние значения и интервалы удельной активности радиоактивных элементов в растительности. 241Am в пробах растительности не обнаружен. 241Am не относится к эссенциальным элементам. В окружающей среде 241Am имеет техногенное происхождение в результате распада 241Pu, который имеет короткий период полураспада.

Таблица 2

Средние значения и интервалы удельной активности радиоактивных элементов в растительности островных территорий Российской Арктики

Территория	Удельная активность, Бк/кг
	226 Ra		232 Th		40 K		210 Pb		7Be		137 Cs
Остров Мейбел	10	8,3-13	12	8,7-19	295	240-360	221	121-320	10	10	21	10-27
Остров Северный	16	11-25	19	11-28	360	174-560	408	190-710	42	26-67	16	7,1-32
Остров Колгуев	2,8	1,7-3,9	2,0	1,6-2,6	86	48-120	267	170-320	38	29-50	12	7,6-16

Альфа-активность растительности островных территорий Российской Арктики представлена излучениями природных радиоактивных элементов: 226 Ra (2,8< х <16 Бк/кг), ²³²Th (2,0< х <19 Бк/кг). Бета-активность растительности в основном обусловлена излучениями природных радиоактивных элементов: 40 K (86< х <360 Бк/кг), ²¹⁰Pb (221< х <408 Бк/кг), 7 Be (10< х <42 Бк/кг) и незначительно техногенным радиоактивным элементом ¹³⁷Cs (12< х <21 Бк/кг).

Для растительности островных территорий Российской Арктики характерна высокая удельная активность 210Pb в сравнении с другими радиоактивными элементами. В растительности происходит интенсивное накопление 210Pb, имеющего максимальные значения коэффициента накопления растительностью (4,7-8,9). Поступление 210Pb в растения связано с несколькими неравнозначными источниками: непосредственное отложение элемента на поверхности части растений с атмосферными выпадениями; корневое поступление элемента из почвы; накопление 210Pb при распаде материнских радионуклидов, поступивших из почвы. Механизм миграции 210Pb детально изучен для торфяников южно-центральной Швеции и северо-запада Испании зарубежными авторами [17] и изучен для торфяников Субарктической зоны России российскими авторами [18]. Вопрос миграции 210Pb в целом для растительности требует дополнительного изучения. Природный радиоактивный элемент 232Th имеет наименьший коэффициент накопления 0,07-0,39. Наиболее высокие значения коэффициентов накопления растительностью радиоактивных элементов отмечаются для слаборазвитых почв – псам-моземов (остров Мейбел), средние значения – для торфяных олиготрофных почв (остров Колгуев), минимальные значения – для литоземов (остров Северный). Коэффициент накопления растительностью радиоактивных элементов определён как отношение удельной активности радионуклида в сухом растении (Бк/кг) к удельной активности 20-см сухого слоя почвы (Бк/кг), на которой произрастала растительность. В табл. 3 представлены интервалы коэффициентов накопления радиоактивных элементов растительностью островных территорий Российской Арктики.

Таблица 3

Коэффициенты накопления радиоактивных элементов растительностью островных территорий Российской Арктики

Территория	Интервалы коэффициентов накопления
	226 Ra	232 Th	40 K	210 Pb	137 Cs
Остров Мейбел	0,51-2,0	0,39-2,8	0,56-0,88	0,68-8,9	0,59-1,4
Остров Северный	0,39-0,53	0,29-0,37	0,29-0,39	4,4-4,7	0,56-2,1
Остров Колгуев	0,35-1,6	0,07-0,38	0,19-0,80	0,81-6,0	0,14-1,9

Заключение

Согласно проведённому исследованию, радиационный фон на островных территориях Российской Арктики формируется природными радиоактивными элементами. Удельная активность долгоживущих техногенных элементов (137Cs и 241Am) в почвах, растительности островных территорий Российской Арктики не превышает установленные минимально значимые нормативы. Наибольший природный радиационный фон наблюдается на острове Северный, что объясняется природной активностью коренных пород (сланцев), преобладающих в структуре почвенного покрова. Радиоактивные элементы также содержатся в почвах, растительности островных территорий Российской Арктики.

В почвенных профилях радиоактивные элементы сосредоточены различно (в верхних гумусовых горизонтах, в торфяных горизонтах, в почвообразующих породах, в горной породе). Активность природных радиоактивных элементов в почвах зависит от минеральной составляющей почв, что подтверждается математическим корреляционным анализом. Установлены сильные прямые зависимости между удельной активностью 226Ra, 232Th, 40K и зольностью, обратные зависимости между удельной активностью данных природных радиоактивных элементов и долей органического вещества. Значения удельной активности природных радиоактивных элементов 226Ra, 232Th в почвах островов ниже средних мировых значений, кроме удельной активности 40К в почвах острова Северный и острова Колгуев. Удельная активность 40К в почвах острова Северный выше среднего мирового значения в 1,1-1,9 раза, что объясняется высокой активностью коренных пород (сланцев).

Удельная активность растительности островных территорий Российской Арктики выше удельной активности почв. Радиоактивные элементы (226Ra, 232Th, 210Pb, 137Cs) поступают в растительность с минеральным питанием из почв и непосредственно из атмосферного воздуха (коэффициенты накопления растительностью данных элементов ˃1). Для растительности островных территорий Российской Арктики характерна наибольшая удельная активность 210Pb (ниже минимально значимой удельной активности). Для оценки пригодности растительности в пищевую цепь требуются дополнительные исследования.

Радиоэкологические исследования, исследования физико-химических свойств почв выполнены при финансовой поддержке темы ФНИР ФГБУН ФИЦКИА УрО РАН: «Особенности миграции элементов и их изотопов в компонентах окружающей среды Западного сектора Российской Арктики в условиях климатических и техногенных изменений» № 125022002727-2. Исследования по морфологии почв поддержаны темой ФНИР ИБ ФИЦ Коми НЦ УрО РАН № 125021902454-1. Экспедиционные исследования выполнены в рамках Всероссийской научнообразовательной программы «Плавучий университет» (соглашение № 075-03-2025-662/8).