Распределение естественных радионуклидов в аллювиальных серогумусовых (дерновых) типичных почвах вокруг населённых пунктов Тюменской области

Аллювиальные серогумусовые (дерновые) типичные почвы – это почвы пойм рек. В пойме рек Иртыша и Тобола данный подтип почв можно встретить в разных геоморфологических структурах Западно-Сибирской низменности: на Тобольском материке, в Кондинской и Среднеиртышской низменностях. В административных границах эти почвы находятся в окрестностях населённых пунктов Тобольского, Вагайского и Ярковского районов Тюменской области. Естественная радиоактивность почв, формирующая природный радиационный фон, на указанной территории мало исследована. В работе [1] за 2010-2014 гг. приведены данные по эффективной удельной активности естественных радионуклидов (226Ra, 232Th, 40К) в пахотном слое почв некоторых районов юга Тюменской области без учёта классификационных почвенных единиц. В работе В.З. Бурлаенко и С.П. Игашевой изучена естественная радиоактивность почв в месте подземного ядерного взрыва «Тавда» (Нижнетавдинский район Тюменской области) [2]. Исследовано содержание 226Ra, 232Th, 40К и плотности потока 222Rn в поверхностном слое почв административного центра Тюменской области – город Тюмень [3, 4].

Токарева А.Ю.* – науч. сотр.; Алимова Г.С. – зав. лаб., к.т.н. ТКНС УрО РАН.

Изучение естественной радиоактивности в почвенном профиле разных типов (подтипов) почв Тюменского региона позволит установить её фоновые значения. На основе фоновых показателей можно определять величину и площадь загрязнения почв антропогенно внесёнными естественными радионуклидами, например, с поверхностными водами, удобрениями или с атмосферными выбросами. По данным доклада [5] на 2022 г. от предприятий Госкорпорации «Росатом» поступление альфа-активных радионуклидов в открытую гидрографическую сеть (соответственно и на поймы рек) на 25,8% обусловлено естественным ураном (1,43Е+10 Бк). Выбросы в атмосферу альфа-активных радионуклидов (7,26Е+14 Бк) на 97,5% обусловлены 222Rn, поступающим от уранодобывающих производств. По сравнению с 2021 г. выбросы в атмосферу альфа-активных нуклидов увеличились на 29,1%. Постоянное излучение от естественных радионуклидов (222Rn, 226Ra, 232Th, 40К) в почве является одной из основных причин внешнего облучения человека, что определяет актуальность исследований [6].

В настоящей работе показано распределение радиационных показателей в профиле аллювиальных серогумусовых (дерновых) типичных почв поймы рек Иртыша и Тобола в окрестностях населённых пунктов: плотности потока ²²²Rn (ППР), удельных активностей естественных радионуклидов – ²²⁶Ra, ²³²Th, ⁴⁰К (А Ra , A Th , A К ), их эффективной удельной активности (A эфф ). Полученные данные радиационной обстановки почв дают полезную информацию об уровне удельных активностей природных радионуклидов в конкретном типе (подтипе) почв, характерном для Тюменского региона. Они важны как региональные данные при оценке состояния радиационной безопасности населения, проживающего на исследуемой территории. Их можно использовать при расчёте интегрального показателя загрязнения территории, представляющего собой сумму отношения содержания радионуклидов в разных объектах окружающей среды к контрольному (фоновому) уровню [7].

Материалы и методы

В пределах одной природной подзоны – южной тайги Западной Сибири и на одном элементе мезорельефа – пойме рек Тобола и Иртыша выбраны 6 участков, занятых луговыми биоценозами в окрестностях населённых пунктов: 1 – правый берег р. Тобол в окрестностях д. Медянки Русские Тобольского района Тюменской области (58,118900º с.ш., 68,197383º в.д.); 2 – левый берег р. Иртыш в окрестностях с. Ермаково Тобольского района Тюменской области (58,125633º с.ш., 68,139367º в.д.); 3 – левый берег р. Иртыш в окрестностях д. Овсянникова Тобольского района Тюменской области (58,317367º с.ш., 68,116950º в.д); 4 – правый берег р. Тобол в окрестностях с. Сорокино Ярковского района Тюменской области (57,838483º с.ш., 68,475783º в.д.); 5 – правый берег р. Иртыш в окрестностях п. Инжура Вагайского района Тюменской области (58,048733º с.ш., 68,128350° в.д.); 6 – левый берег р. Иртыш в окрестностях с. Вагай Вагайского района Тюменской области (57,971821º с.ш., 68,984982º в.д.). Участки подобраны с одним подтипом почв и схожим генетическим почвенным профилем. Рассматриваемая территория не содержит месторождений и природных аномалий. В июле 2020 г. на каждом участке был заложен почвенный разрез. Изучение морфологического строения почвенных профилей выполнено по публикациям [8-10]. Отбор проб и определение физических свойств (гранулометрического состава, влажности, плотности сложения) почв проведено стандартными методами в полевых и лабораторных условиях [8, 11, 12]. рН водной вытяжки почв определён по ГОСТу 26423-85; классификация почв по рН водной вытяжки – в соответствии с работой [12]. Общее количество точечных проб – 24. Измерения ППР проведены с глубины почвы 0 м, 0,2 м, 0,4 м, 0,6 м, 0,8 м, 1 м методом пассивной сорбции по методике измерения ППР с поверхности земли и строительных конструкций (ФР.1.38.2019.33730) комплексом для мониторинга радона «КАМЕРА-01». Допускаемая основная относительная погрешность измерений ППР не превышала 20%. АRa, ATh, AК измерены с помощью гамма-спектрометра СКС-99 «Спутник» в соответствии с МВИ № 400090.3Н700. Контроль качества измерений на СКС-99 обеспечивается за счёт ежегодной поверки и использования аттестованных: контрольного источника – ОИСН22-4,5 и геометрии – сосуда Маринелли объёмом 0,5 л. Пределы допускаемой основной относительной погрешности измеряемых АRa, ATh, AК, Аэфф в пробах не превышали ±10%. Расчёт Аэфф в образцах почв проведён в соответствии с НРБ-99/2009. Статистический анализ полученных данных выполнен в программе Excel 2016 с применением коэффициента корреляции Пирсона (r) между двумя показателями, оцениваемого по шкале Чеддока [13].

Результаты

В работе представлены результаты измерения удельных активностей 226Ra, 232Th, 40К и плотности потока 222Rn в почвах пойм рек Тобола и Иртыша на шести участках, расположенных в Тюменской области. Участки 1, 4 (разрезы 1, 4, правобережье р. Тобол), участок 6 (разрез 6, левый берег р. Иртыш) расположены в границах Среднеиртышской низменности, в её геологической структуре – верхнее звено неоплейстоцена, каргинский горизонт четвертичных отложений представлен озёрно-аллювиальными отложениями второй надпойменной террасы. Суглинки и глины образуют центральные участки (медиальную зону) террасы – в основном, глины алевритовые или песчано-алевритовые [14]. Участки 2, 3 (разрезы 2, 3, левый берег р. Иртыш) расположены в границах Кондинской низменности, в её геологической структуре – сартанский горизонт верхнего звена неоплейстоцена и современный горизонт четвертичных отложений представлены озёрно-аллювиальными отложениями первой надпойменной террасы с преобладанием суглинков в составе [14]. Участок 5 (разрез 5, правый берег р. Иртыш) находится в границах Тобольского материка, в его геологической структуре – верхний отдел олигоцена, хаттский ярус палеогеновой системы представлен верхними горизонтами туртасской свиты, содержащей алевриты и алевритовые глины с линзовидными прослоями тонко- и мелкозернистых песков, глауконитов. Неогеновые отложения (плиоцен) верхней пачки инжуринской толщи Тобольского материка представлены озёрно-глинистыми материалами – алевритовыми глинами, монтмориллонит-гидрослюди-стым составом [14].

Все исследуемые участки почв в своей геологической структуре содержат глинистые фракции. Следует учитывать, что естественная радиоактивность почв обусловлена литологическим составом почвообразующих пород: наличием в них глинистых материалов (монтмориллонита), содержащих радиоизотопы семейства 238U и 232Th [14, 15].

На всех шести участках почва однородная и относится к аллювиальному серогумусовому (дерновому) типичному подтипу [10, 16]. Выявленные морфологические признаки характерны для аллювиальных серогумусовых (дерновых) типичных почв [17].

В верхней части почвенных профилей расположен дерновый горизонт Аv мощностью от 6 до 14 см, от палево-серого до серо-бурого цвета с неоднородной структурой, с хорошо развитой дерниной. Нижележащий тёмногумусовый горизонт АU мощностью от 9 до 29 см, от палево-серого до серовато-бурого цвета сформировался на почвообразующей породе с признаками текстурного горизонта ВС мощностью от 14 до 45 см, ниже залегает коренная порода СD аллювиального происхождения с признаками почвообразующей породы (рис. 1, табл. 1).

Рис. 1. Удельные активности природных радионуклидов ²²⁶Ra, ²³²Th и ⁴⁰К (А Ra , A Th , A К ), эффективная удельная активность (А эфф ), средняя плотность потока ²²²Rn (ППР) в профиле аллювиальных серогумусовых (дерновых) типичных почв на участках №№ 1-6 (п. – песок; с. – супесь; л.с. – лёгкий суглинок; с.с. – средний суглинок; т.с. – тяжёлый суглинок;

* – в горизонте Av измерения А Ra , At h , A К, А эфф не проводились).

Таблица 1

Морфологическое строение почвенных профилей аллювиальной серогумусовой (дерновой) типичной почвы

Профиль	Горизонт [8]	Глубина залегания горизонта, см	Окраска почвы в горизонте [мансел]	Структура	W пол	W, %	рН вод , ед. рН	d V , г/см3
	Аv	0-14	серо-бурый	ореховато-комковатая	свежая	15	7,7	0,995
1	АU	15-24	тёмно-серый	ореховато-комковатая	свежая	15	7,5	0,882
	ВC	25-39	палево-серый	слоисто-ореховатая	влажная	25	7,4	1,380
	СD	39-100	палевый	комковатая	сырая	35	7,4	1,524
	Аv	0-11	светло-буровато-серый	комковато-зернистая	свежая	10	5,6	1,178
2	АU	11-29	серовато-бурый	плитчатая	свежая	10	5,8	1,251
	ВC	29-52	коричневато-бурый	плитчатая	свежая	15	5,3	1,075
	СD	53-100	коричневато-светло-палевый	комковатая	сырая	40	5,1	1,380
	Аv	0-6	светло-буровато-серый	комковато-зернистая	свежая	10	6,0	1,154
3	АU	6-25	серовато-бурый	плитчатая	свежая	10	6,3	1,075
	ВC	25-41	коричневато-бурый	плитчатая	свежая	15	6,5	1,508
	СD	42-100	коричневато-светло-палевый	песчаная	сырая	40	5,1	1,467
	Аv	0-14	палево-серый	комковато-зернистая	свежая	10	6,0	1,042
4	АU	14-43	тёмно-серый	комковато-зернистая	свежая	15	5,8	0,995
	ВC	44-81	серо-палевый	комковато-призматическая	влажная	30	5,9	0,955
	СD	81-110	палевый	комковато-призматическая	влажная	30	5,6	0,979
	Аv	0-12	тёмно-серый	комковато-зернистая	сухая	5	6,8	0,883
5	АU	13-38	буровато-серый	комковато-зернистая	свежая	15	6,4	0,947
	ВC	39-84	буро-палевый	ореховато-комковатая	влажная	25	5,8	1,123
	СD	84-120	тёмно-палевый	призматическая	сырая	40	5,5	1,178
	Аv	0-8	тёмно-серый	ореховато-комковатая	сухая	10	5,8	0,802
6	АU	8-31	палево-серый	ореховато-комковатая	свежая	15	5,7	0,882
	ВC	31-54	палевый	ореховато-комковатая	свежая	20	6,1	0,897
	СD	54-100	палево-коричневатый	призматическая	сырая	35	5,4	1,026

Примечание: Аv – дерновый почвенный горизонт; АU – тёмногумусовый почвенный горизонт; ВC – почвообразующая порода с признаками текстурного горизонта; СD – коренная порода с признаками почвообразующей породы; W пол – влажность почвы, определенная в полевых условиях; W – влажность почвы; рН вод – водородный показатель водной вытяжки почв; d V – плотность сложения почвы.

Среднеиртышская и Кондинская низменности имеют общие черты: современная пойма, низкие надпойменные террасы (I-III), пониженные равнины.

Надпойменная терраса I – менее 50 м над ур. м., террасы II и III – 60-80 над ур. м. Здесь преобладает гидроморфный режим почвообразования. Тобольский материк – равнина, имеет высоту от 75 до 95 м над ур. м. Здесь останцы с высотными отметками 110-120 над ур. м. и более распространён автоморфный режим, но ближе к р. Иртыш и к его притокам – полугидроморфный и гидроморфный режимы [18]. На характер распределения влажности исследуемых почв влияет гидроморфный режим почвообразования. При органолептическом определении в нижних горизонтах ВC и СD влажность почв на уровне «влажная» и «сырая» (лабораторный метод – 15-40%), а в верхних Аv и АU – «сухая» и «свежая» (лабораторный метод – 5-15%) (табл. 1).

В почвенном профиле № 1 слабощелочная реакция среды, возможно обусловленная близостью подземных вод со слабощелочной реакцией. В почвенных профилях № 2 и № 3 реакция среды слабокислая и в нижнем горизонте CD актуальная кислотность повышается до кислой реакции. В почвенных профилях №№ 4-6 слабокислая реакция среды, только в дерновом горизонте профиля № 5 нейтральная реакция среды (табл. 1). В целом, слабокислая среда характерна для аллювиальных серогумусовых (дерновых) типичных почв [17].

Плотность сложения почв зависит от гранулометрического состава. Плотность сложения супесчаных почв – 1,3-1,5 г/см3, легкосуглинистых – 1,2-1,4 г/см3, средне- и тяжёлосуглинистых – 1,1-1,3 г/см3 [12]. В почвенных профилях №№ 1-3 в нижнем супесчаном горизонте СD плотность сложения находится в пределах 1,380-1,524 г/см3. В суглинистых горизонтах профилей №№ 1-6 плотность сложения почв варьирует от 0,802 до 1,508 г/см3 (табл. 1). Возможное влияние почвенных свойств на распределение АRa, ATh, AК в исследуемых почвенных профилях рассмотрено с применением корреляционного анализа (табл. 2).

Таблица 2

Коэффициент корреляции Пирсона (r) между почвенными показателями в исследуемых почвах (р<0,05)

Показатель	А Ra	At h	A K	А эфф	ППР	W	рН вод	d v	Н
А Ra	1,0	–	–	–	–	–	–	–	–
At h	-0,5	1,0	–	–	–	–	–	–	–
A K	-0,1	-0,2	1,0	–	–	–	–	–	–
А эфф	0,2	0,4	0,1	1,0	–	–	–	–	–
ППР	-0,2	0,4	0,0	0,2	1,0	–	–	–	–
W	-0,1	0,2	0,3	0,1	0,4	1,0	–	–	–
рН вод	-0,1	0,2	-0,5	-0,2	-0,1	-0,3	1,0	–	–
d v	-0,1	-0,1	0,2	-0,2	-0,1	0,5	0,0	1,0	–
Н	-0,2	0,3	0,4	0,2	0,6	0,9	-0,4	0,3	1,0

Примечание: А Ra , A Th , A K – удельные активности ²²⁶Ra, ²³²Th, ⁴⁰К в почве, Бк/кг; А эфф – эффективная удельная активность природных радионуклидов, Бк/кг; ППР – плотность потока ²²²Rn, мБк/(м²·с); W – влажность почв, %; рН вод – водородный показатель водной вытяжки почв, ед. рН; d V – плотность сложения почвы, г/см³; Н – глубина отбора проб почвы, м.

В распределении ²³²Th по профилю исследуемых почв отмечена его максимальная удельная активность в легкосуглинистом горизонте BC почвенного профиля № 1 – 28 Бк/кг, минимальная – в верхнем дерновом горизонте почвенного профиля № 2 – 7 Бк/кг, в тёмногумусовом горизонте почвенных профилей № 1, № 2 и № 3 – 3 Бк/кг, 8 Бк/кг и 4 Бк/кг соответственно, в нижнем супесчаном горизонте CD почвенных профилей № 2 и № 3 – 2 Бк/кг и 8 Бк/кг соответственно (рис. 1). В целом, в верхних горизонтах Аv и АU почвенных профилей Среднеиртышской низменности (№ 1, № 4, № 6) и Тобольского материка (№ 5) A Th находится в диапазоне 3-26 Бк/кг, а Кондинской низменности – 0-8 Бк/кг. В нижележащих горизонтах BC и CD почвенных профилей Среднеиртышской низменности (№ 1, № 4, № 6) и Тобольского материка (№ 5) A Th находится в диапазоне 15-28 Бк/кг, а Кондинской низменности – 2-17 Бк/кг, что можно отнести к уровню геохимического фона для почвообразующей породы (суглинков). Статистически значимых (р≤0,05) коэффициентов корреляции Пирсона (r) между A Th и W, рН вод , d V не обнаружено.

Профильное распределение ²²⁶Ra имеет характер, противоположный с ²³²Th, между удельными активностями ²²⁶Ra и ²³²Th выявлена статистически значимая заметная обратная связь (r=-0,5, табл. 2). Коэффициенты корреляции Пирсона (r) между A Ra и W, рН вод , d V незначимые (табл. 2).

Удельная активность 40К во всех почвенных профилях варьирует в верхних горизонтах – 232-401 Бк/кг, в горизонтах ВC и CD от 175 до 404 Бк/кг, и вносит основной вклад в эффективную удельную активность естественных радионуклидов. Наибольшие значения зафиксированы в горизонтах ВC и CD почвенного профиля № 3. Отмечены умеренные корреляции Aк и глубины почвенного профиля (r=0,4), и заметные обратные связи с рН водной вытяжки почв (r=-0,5). К нижним горизонтам значения рН уменьшаются, актуальная кислотность почвы повышается и значения AК в горизонте CD возрастают до 302-401 Бк/кг. Умеренная корреляционная взаимосвязь наблюдается между Aк и влажностью почвы (r=0,3). Определённую роль в миграции элемента, характеризующегося довольно высокой подвижностью в водных растворах, вниз по профилю и за его пределы играет промывной водный режим. Значения Aк в дерновом горизонте значительно разнятся во всех почвенных профилях – 232-391 Бк/кг, вероятно на это повлияло хозяйственное применение территорий. Гумусовые горизонты дерновых почв, характеризующихся большей продуктивностью, и длительное использование лугов под сенокосы может способствовать выносу биогенных элементов из почвы. Отсутствие аномальных скачков удельных активностей 226Ra, 232Th, 40К в почвенном профиле исследованных почв свидетельствует об отсутствии антропогенных источников поступления радионуклидов.

Радиационную обстановку почвы можно оценить с помощью её радиогеохимической характеристики – эффективной удельной активности естественных радионуклидов А эфф с безопасным уровнем – до 100 Бк/кг, потенциально опасным – 101-1100 Бк/кг, опасным – 1101-3300 Бк/кг, особо опасным – более 3300 Бк/кг [19]. В верхнем дерновом почвенном горизонте исследуемых почв А эфф в пределах 41-67 Бк/кг, в тёмногумусовом горизонте и в почвообразующей породе с признаками текстурного горизонта – 56-71 Бк/кг, в коренной породе с признаками почвообразующей породы – 50-75 Бк/кг (рис. 1). Максимальные значения А эфф выявлены в нижних тяжелосуглинистых горизонтах ВC и СD в почвенных профилях № 4 и № 5 – 70-75 Бк/кг (рис. 1). В целом, по профилю исследуемых аллювиальных серогумусовых (дерновых) типичных почв диапазон числовых значений А эфф варьирует незначительно и не превышает 100 Бк/кг (рис. 1). Данный подтип почв в границах Среднеиртышской и Кондинской низменностях и Тобольского материка по эффективной удельной активности естественных радионуклидов А эфф соответствует безопасной категории. Значения А эфф очень слабо коррелируют с значениями физико-химических свойств изучаемых почв (W, рН вод , d V ), умеренно – с удельной активностью А Th , т.е. зависят от состава почвообразующих пород и присутствия в них родоначальника радиоактивного ряда – ²³²Th (табл. 2).

На всех исследованных участках почв среднее значение ППР, полученное с поверхности, находится в диапазоне 8-20 мБк/(м2·с) – менее 80 мБк/(м2·с) – допустимая граница ППР с поверхности почв в соответствии с ОСПОРБ-99/2010.

Начиная с глубины почвы 0,2-0,6 м всех участках почв (за исключением № 3) зафиксированы средние значения ППР выше допустимых границ – 99-331 мБк/(м2·с). Максимальное значение ППР на участке № 4 Среднеиртышской низменности – 331 мБк/(м2·с) (рис. 1). Статистически значимые заметные связи значений ППР выявлены с глубиной почвы (r=0,6) (табл. 2). Суглинистый состав почв препятствует выходу 222Rn на её поверхность. В то же время следует учитывать, что исследуемые участки почв расположены вблизи населённых пунктов (деревень и поселков), где основные жилища – это одноэтажные частные строения. Радоноопасными жилищами будут являться частные строения с неизолированным грунтом в погребах и подвалах [20].

В разных публикациях представлены диапазоны А Ra , A Th , A К , выявленные в основном в пахотном слое почвы, и часто, без уточнения типа (подтипа) почвы, с указанием административной принадлежности территорий (табл. 3). В то же время, данные, полученные в ходе настоящего исследования, согласуются с результатами, указанными в табл. 3. Также полученные нами результаты соответствуют нижнему диапазону содержания радионуклидов для почв различных природноклиматических зон планеты: 140-850 Бк/кг по ⁴⁰К, 17-60 Бк/кг по ²²⁶Ra, 11-64 Бк/кг по ²³²Th [6].

Таблица 3

Автор и территория исследования	А Ra	A Th	A К	А эфф	Глубина отбора почвы, см
Котченко и др.(Тюменская обл.) [1]	–	–	–	65-117	0-30
Бобренко и др. (Омская обл.) [21]	31-86	39-59	346-797	–	0-30
Бурлаенко и др. (юг Тюменской обл.) [2]	23-63	24-87	316-974	81-245	0-200
Орлов и др. (Тюменская обл.) [22]	22-32	16-30	250-470	–	0-30
Орлов и др. (Россия в целом) [22]	11-33	16-40	280-640	–	0-30
Орлов и др. (в мире) [22]	11-52	17-40	270-630	–	0-30
Наши результаты*	3-26	3-28	175-404	41-75	0-100
	13±9	15±8	322±70	61±8

Примечание: * – под чертой указаны средние значения ± стандартное отклонение.

Диапазоны АRa, ATh, AК, Аэфф (в Бк/кг) в почвах в Западной Сибири

Заключение

В аллювиальных серогумусовых (дерновых) типичных почвах пойм Иртыша и Тобола преобладает слабокислая реакция среды. Внутрипрофильное распределение плотности сложения соответствует преобладающему суглинистому составу аллювиальных серогумусовых (дерновых) типичных почв.

Диапазоны удельных активностей естественных радионуклидов в почвенном профиле составляют: 226Ra – 3-26 Бк/кг; 232Th – 3-8 Бк/кг; 40К – 175-404 Бк/кг.

Характер распределения удельных активностей естественных радионуклидов 226Ra и 232Th в почвенном профиле аллювиальных серогумусовых (дерновых) типичных почв зависит от их содержания в почвообразующих породах и на него не оказывают влияние физико-химические свойства почвы – влажность, актуальная кислотность и плотность сложения. Профильное распределение удельной активности 40K выявило статистически значимые корреляционные связи 40K с актуальной кислотностью почвы.

Среднее значение эффективной удельной активности естественных радионуклидов (61 Бк/кг) в почве не превышает безопасного уровня для населения, проживающего на исследуемых территориях, и компонентов окружающей среды – 100 Бк/кг. ППР с поверхности почв меньше уровня, установленного в ОСПОРБ-99/2010, – 80 мБк/(м2·с).

Работа выполнена в рамках фундаментальных научных исследований по теме: «Эколого-геохимические преобразования почв экосистем Обь-Иртышского бассейна под воздействием природных и техногенных факторов (Регистрационный номер НИОКТР 1024032000029-9-1.5.4).