Удельная активность и особенности вертикального распределения 137Cs в почвах аграрных ландшафтов центральных районов Красноярского края

Введение. Все компоненты биосферы находятся под воздействием ионизирующей радиации, на них непрерывно действует космическое излучение, бета-, гамма-излучение естественных и техногенных изотопов. Совокупность природных источников радиации – это естественный радиационный фон. Дополнительный вклад в радиационный фон вносят антропогенные радионуклиды, образующиеся при работе АЭС и при различных по масштабам радиационных авариях. Антропогенные (техногенные) радионуклиды, включаясь в круговорот веществ в биосфере, и формируют глобальное техногенное загрязнение. Уровень глобального техногенного загрязнения на планете относительно однородный. Однако существуют территории, имеющие локальное (дополнительное) радиоактивное загрязнение. Дополнительное радиоактивное загрязнение регистрируется на территориях, пострадавших в результате радиационных аварий или загрязненных в результате деятельности предприятий ядерно-топливного цикла [1, 2].

Миграция техногенных радионуклидов в настоящее время происходит в экосистемах локальных радиоактивных катастроф и в экосистемах, отягощенных размещением предприятий Росатома РФ. В газо-аэрозольных выбросах АЭС присутствуют техногенные изотопы: 3Н, 14С, 129I, 131I, 90Sг, 60Co, 134Cs, 137Cs. В ядерном

Основным источником попадания 137Cs в растения является почва. Достаточное концентрирование 137Cs в составе почвенных частиц, незначительное содержание в почвенном растворе является основной причиной низкой его миграционной способности по профилю почвы. Через 4–6 лет после попадания 137Cs на поверхность почвы его средняя миграция по профилю почвы составляет 2 см, в почвах с достаточным содержанием органического вещества миграционная активность 137Cs возрастает [4]. На необрабатываемых сельскохозяйственных угодьях в естественные агробиоценозах (естественные пастбища и сенокосные угодья) 137Cs, независимо от типа почв, в течение продолжительного времени локализуется в верхних слоях почвы.

Установлено, что в большинстве почв 137Cs находится в верхних слоях (до 20 см), концентрация его экспоненциально убывает с глубиной. Содержание 137Cs в почве зависит от ее типа, содержания гумуса, обменного и остаточного калия, степени увлажненности, видового состава растений. В настоящее время выявлено заглубление 137Cs по профилю почв. Скорость вертикальной миграции в различных типах почв отличается, подвижность 137Cs прямо пропорциональна концентрации органического вещества, зависит от наличия пластов, обогащенных оксидом железа. Миграционная способность 137Cs в агробиоценозах определена на территориях, загрязненных вследствие аварийных ситуаций на предприятиях атомно-промышленного комплекса. Научных работ по анализу миграционной активности антропогенных радионуклидов в почвах агробиоценозов Красноярского края опубликовано мало. Имеются публикации, посвященные дополнительному загрязнению р. Енисей в результате работы Федерального государственного унитарного предприятия «Горно-химический комбинат» (ФГУП «ГХК») [5]. Ф.В. Сухоруков (2004) [6] оценил закономерности распределения и миграции 137Cs, 90Sr, 60Co, 52Eu, 240Pu в компонентах экосистемы р. Енисей. Т.А. Зотиной с со-авт. (2022) [7] приведены данные по удельной активности 137Cs в рыбе р. Енисей. А.А. Бурякова (2020) [8] с соавт. определила загрязнение поймы р. Енисей антропогенными изотопами в период с 2000 по 2019 г. в зоне наблюдения ФГУП «ГХК». В.Н. Ракитский с соавт. (2018) [9] установил, что концентрация 137Cs в воде р. Енисей – 0,12 к/кг, в донных образованиях – 1 311 Бк/кг. Вышеприведенные публикации доказывают наличие дополнительного радиоактивного загрязнения поймы р. Енисей в результате предыдущей работы ФГУП «ГХК».

В связи с этим оценка особенностей миграционной способности техногенных радионуклидов в условиях локального техногенного загрязнения агробиоценозов Красноярского края является актуальным вопросом.

Цель исследования – определить миграционную активность ¹³⁷Cs по профилю почв в условиях аграрных ландшафтов с дополнительным радиоактивным загрязнением.

Задачи: провести радиоэкологическое обследование аграрных ландшафтов; установить уровни загрязнения ¹³⁷Cs почв агробиоценозов; определить глубину миграции ¹³⁷Cs по профилю почв.

Материалы и методы. Исследования проводились согласно МУ 13.5.13.-00 «Организация государственного радиоэкологического мониторинга агроэкосистем в зоне воздействия радиационно-опасных объектов» [10] в период 2016– 2018 гг. в аграрных ландшафтах центральных районов Красноярского края, имеющих различный радиоэкологический статус: п. Борск – контрольный ландшафт, он расположен в 50 км на север от г. Красноярска, в Сухобузимском районе почвы этого ландшафта имеют только глобальное техногенное загрязнение. Тестовые аграрные ландшафты с. Момотово – № 1 и с. Большой Балчуг – № 2. Тестовые аграрные ландшафты территориально находятся в зоне наблюдения ФГУП «ГХК». Село Момотово находится на удалении 183 км на север от г. Красноярска, в Казачинском районе, на правом берегу реки Енисей. Село Б. Балчуг расположено в северо-восточном направлении, в 40 км от г. Красноярска в Сухобузимском районе, в 6 км от границы санитарно-защитной зоны ФГУП «ГХК». Ранее автором на сенокосно-пастбищных агробиоценозах, расположенных на берегу р. Енисей, тестовых аграрных ландшафтов установлены участки с дополнительной антропогенной нагрузкой, которая сформировалась в результате предыдущей деятельности ФГУП «ГХК» [11].

Рекогносцировочное измерение гамма-формы и отбор проб почвы на территории сенокосно-пастбищных агробиоценозов проведено в летний и осенний периоды 2016–2017 гг. Измерение γ-фона проводили поисковым радиометром СРП-68-01 и многофункциональным широкодиапазонным профессиональным дозиметром ДРГ-01Т1. Выбор контрольных и радиоактивно-загрязненных агробиоценозов осуществлен по мощности эквивалентной дозы (МАЭД).

В контрольном аграрном ландшафте исследовано 5 сенокосно-пастбищных агробиоценозов, общая площадь 1530 га (469 точек гамма-сьемки). В 1-м тестовом аграрном ландшафте проведено исследование 8 сенокосно-пастбищных агробиоценозов (224 точки гамма-сьемки), общая площадь 190,7 га. Во 2-м тестовом аграрном ландшафте исследовано 8 сенокоснопастбищных агробиоценозов, общая площадь гамма-сьемки 188,3 га (238 точек гамма-съемки). Пробы почвы на выбранных участках отбирали в пяти точках методом «конверта», а также в местах с наибольшими значениями гамма-фона. Пробы отбирали на глубине 5 см, в центре «конверта» отбор выполнен до глубины 30 см, с послойным отбором 10-см проб. Пробы упаковывались в двойной полиэтиленовый пакет и снабжались сопроводительным талоном. Удельная активность 137Cs в почвах определена методом гамма-спектрометрии в геометрии сосуда Маринели в течение 3 600 с на гамма-спектрометрах «МКГБ-01 РАДЕК» и «Гамма-1С». Статистическая обработка цифрового материала проведена методом вариационной статистики с помощью прикладных программ MS Excel 2007. Различия параметров считали достоверными при Р ≤ 0, 05.

Результаты и их обсуждение. Агрохимическая характеристика почв сенокосно-пастбищных агробиоценозов аграрных ландшафтов представлена в таблице 1. Значения рН, гумуса, кальция, калия и фосфора в почвах агарных ландшафтов с разной техногенной нагрузкой находились в одном диапазоне изменчивости и соответствовали литературным данным, характеризующим почвы Красноярского края [12, 13].

Таблица 1

Показатель	Контрольный	Тестовый № 1	Тестовый № 2
		n = 10
рН	6,83±0,1	6,60±0,1	7,07±0,2
Гумус, %	6,89±1,6	5,71±0,1	3,72±0,6
Кальций, мг/кг	9730,50±1043,8	7323,00±557,9	11134,30±352,9
Калий валовый, мг/кг	7983,23±282,6	6071,53±133,7	5044,30±232,8
Калий подвижный, мг/кг	76,30±4,8	103,84±12,1	99,09±13,7
Фосфор валовый, мг/кг	600,20±19,4	539,94±24,4	561,19±39,8
Фосфор подвижный, мг/кг	95,60±11,1	147,82±14,3	117,57±11,3

Агрохимическая характеристика почв аграрных ландшафтов

На основании вышеприведенных результатов можно ожидать равнозначное накопление 137Cs в верхнем 20-сантиметровом слое почвы и идентичной миграционной активности Cs в тестируемых почвах. Почвы агробиоценозов тестируемых аграрных ландшафтов относились к одному типу и обладали близкими характеристиками механического состава, содержанием гумуса, кальция, фосфора, калия и рН, соответственно ожидалась схожая миграционная активность 137Cs.

Значение мощности амбиентного эквивалента дозы (МАЭД) гамма-фона во всех аграрных ландшафтах находится в диапазоне значений, типичных для территории Красноярского края (табл. 2). В результате можно заключить, что тестовые аграрные ландшафты не являются аномальными по уровню МАЭД, хотя полученные данные по этим аграрным ландшафтам значительно выше (установлено с доверительной вероятностью Р < 0,001), чем в контрольном аграрном ландшафте.

Таблица 2

Показатель	Контрольный	Тестовый № 1	Тестовый № 2
Общая площадь гамма-съемки, га	1530	190,7	188,3
Количество точек гамма-съемки	469	238	224
МАЭД, нЗв/ч	10,5±0,1	18,9±0,4***	17,1±0,4***
Удельная активность 137Cs в почвах, Бк/кг	6,4±1,9	284 ±36***	121±19***
Плотность загрязнения 137Cs, Кu/км2	0,04	1,84	0,78

***Р < 0,001 по отношению к контрольному аграрному ландшафту.

Результаты радиоэкологического обследования аграрных ландшафтов

В наших исследованиях значение гамма-фона в контрольном аграрном ландшафте составило 10,5 ± 0,06 нЗв/ч, что согласуется с данными Т.И. Матвеенко (2006) [14], который определил, что значение гамма-фона на юге Хабаровского края составляет 9–13 мкР/ч. Таким образом, значения гамма-фона до 14 мР/ч характеризуют глобальный техногенный фон, уровень которого имеет однозначное числовое выражение на всей территории РФ. В то же время нами установлено, что в тестовых аграрных ландшафтах значение гамма-фона составило 17,1–18,9 нЗв/ч, что превышает значения фонового глобального техногенного загрязнения.

В результате исследования почв сенокоснопастбищных агробиоценозов тестируемых аграрных ландшафтов лесостепной зоны Красноярского края установлено, что удельная активность 137Cs 1-го тестового аграрного ландшафта в 19 раз, 2-го тестового ландшафта в 8 раз превышает аналогичный показатель для почв контрольного аграрного ландшафта (Р < 0,001) (см. табл. 2). Значение удельной активности 137Cs в почвах сенокосно-пастбищных агробиоценозов контрольного аграрного ландшафта входило в диапазон средних значений, характерных для центральных районов Красноярского края, – 1,2–38,1 Бк/кг [5].

Значение концентрации 137Cs в почвах сенокосно-пастбищных агробиоценозов тестовых аграрных ландшафтов превышает средние значения по Красноярскому краю, на основании региональных нормативов «Допустимые значения радиационного загрязнения природной среды на территории Красноярского края» эти значения относятся к уровню «регистрации» [15].

Оценка радиоэкологической обстановки аграрных ландшафтов проводилась на основе определения площадной активности. Площадная активность определялась на основании средних значений концентрации 137Cs, по формуле П=2,7•10'4• a-d-h где а - удельная ак- тивность пробы Бк/кг; d – вес пробы; h – высота слоя отбора пробы.

В результате расчета установлено, что в контрольном аграрном ландшафте площадная активность составила 0,04 Кu/км2, это значение соответствует диапазону данных, характеризующих техногенное загрязнение почв всего Красноярского края (среднее фоновое значение 0,08 Кu/км2). В 1-м тестовом аграрном ландшафте плотность загрязнения составила 1,84 Кu/км2, во 2-м – 0,78 Кu/км2. Плотность загрязнения 137Cs в 1-м тестовом в 46 раз, во 2-м тестовом ландшафте в 19 раз выше, чем в контрольном (Р<0,001), однако установленные значения не превышают значения нормативных документов РФ [16]. На основании критерия оценки экологической обстановки территорий для выявления зон чрезвычайной экологической ситуации и зон экологического бедствия экологическую обстановку в агробиоценозах тестовых аграрных ландшафтов можно отнести к «относительно удовлетворительной».

Вертикальное распределение 137Cs в почвах аграрных ландшафтов исследовано на глубине 40 см слоя, полученные результаты представлены в таблице 3.

Вертикальное распределение 137Cs в почвах, Бк/кг

Таблица 3

Глубина по профилю почвы, см	Контрольный	Тестовый № 1	Тестовый № 2
0–10	6,9±0,5	247,6±25,6***	112,6±17,0***
10–20	6,2±0,8	384,5±142,6*	178,3±62,5*
20–30	5,4±0,3	448,6±171,7*	136,2±55,8*
30–40	5,6±1,2	313,9±53,4**	35,0±7,6*

*Р < 0,05; **Р < 0,01; ***Р < 0,001 по отношению к контрольному аграрному ландшафту.

Вертикальное распределение 137Cs в почвах агробиоценозов в тестовых аграрных ландшафтах свидетельствует о преимущественном накоплении техногенных радионуклидов в 10–20 см слое почвы. По данным, полученным на территориях, загрязненных 137Cs в результате аварии на Чернобыльской АЭС [17], загрязнение в основном находится в верхнем 10 см слое. В тестовых аграрных ландшафтах произошло заглубление 137Cs.

Распределение 137Cs по вертикали в почве сенокосных агробиоценозов контрольного аграрного ландшафта соответствует распределению при глобальном техногенном загрязнении.

Удельная активность верхнего 10 см слоя почвы в тестовых аграрных ландшафтах достоверно (Р < 0,001) превышает аналогичную в контрольном ландшафте. Основная концентрация 137Cs сосредоточена на глубине 10–30 см, значение удельной активности 137Cs в тестовых аграрных ландшафтах достоверно (Р < 0,05) выше, чем в контрольном. Значительная величина ошибки объяснятся наличием агробиоценозов с разной степенью загрязнения (агробиоценозы, находящиеся в пойме реки Енисей и на высокой надпойменной террасе). Динамика вертикального распределения 137Cs по профилю чернозема обыкновенного представлена на рисунке.

Удельная активность 137Cs по глубине почв сенокосно-пастбищных агробиоценозов аграрных ландшафтов

Распределение результатов определения 137Cs в профиле почвы по вертикали тестовых аграрных ландшафтов имеет вид логарифмичес-ки-нормального распределения, в контрольном ландшафте – вид гамма-распределения. Значение удельной активности 137Cs и характер вертикального распределения 137Cs по профилю почвы подтверждают предположение о наличии дополнительного техногенного загрязнения почв тестовых аграрных ландшафтов в результате деятельности ФГУП «ГХК».

По данным ученых, 60–75 % 137Cs в почвах агробиоценозов находится в верхних слоях почвы на глубине 10–20 см [18–21]. В наших исследованиях вертикальной миграции 137Cs по профилю почвы в контрольном аграрном ландшафте установлено, что на глубине до 20 см сосредоточено 54 % 137Cs, остальные 46 % равномерно распределены на глубине 20–40 см. Полученные результаты доказывают присутствие в контрольном аграрном ландшафте только глобального техногенного загрязнения.

По данным ряда исследователей, глубина миграции 137Cs по профилю почвы в Брянской области составляет 65 см [18], Белгородской области – 40 см [22], очевидно, это связано с уровнем загрязнения почв в результате аварии на ЧАЭС. В наших исследованиях установлено, что в зоне наблюдения ФГУП «Горнохимический комбинат» глубина миграции 137Cs в почвах агробиоценозов с дополнительной техногенной нагрузкой составляет 40 см, что подтверждает предположение о загрязнении некоторых территорий в результате предыдущей деятельности предприятия.

Заключение. В результате работы установлено, что в контрольном аграрном ландшафте лесостепной зоны Красноярского края, имеющем глобальное техногенное загрязнение, МАЭД составляла 10,5±0,1 нЗв/ч, удельная активность ¹³⁷Cs в почвах 6,4±1,9 Бк/кг, что обусловило плотность загрязнения ¹³⁷Cs в 0,04 Кu/км². Цифровые данные радиоэкологического тестирования контрольного аграрного ландшафта (п. Борск Сухобузимского района) подтверждают наличие фонового глобального техногенного загрязнения и свидетельствуют о радиационном благополучии этого аграрного ландшафта.

На территории Красноярского края имеются участки с локальным радиоактивным техногенным загрязнением. В работе установлены аграрные ландшафты, имеющие дополнительное радиоактивное техногенное загрязнение: с. Мо-мотово Казачинского района и с. Большой Балчуг Сухобузимского района. В этих аграрных ландшафтах установлено превышение значений МАЭД и концентрации ¹³⁷Cs в почвах сенокосно-пастбищных агробиоценозов . Однако, согласно нормативному документу «Допустимые значения радиационного загрязнения природной среды на территории Красноярского края», на выделенной территории не требуется постоянный дозиметрический мониторинг.

По итогам расчета площадной активности выявлено, что в аграрных ландшафтах с дополнительным техногенным загрязнением плотность загрязнения 137Cs составила 0,78–1,84 Кu/км2. Хотя установленные значения плотности 137Cs в почвах не превышают значения критерия оценки экологической обстановки территорий для выяв- ления зон чрезвычайной экологической ситуации и зон экологического бедствия, экологическая обстановка в аграрных ландшафтах с дополнительной техногенной нагрузкой оценивается как относительно удовлетворительная.

В почве аграрных ландшафтов с антропогенным загрязнением 137Cs преимущественно находится в 10–20 см слое. Концентрация 137Cs и характер вертикального распределения 137Cs по профилю почвы подтверждают предположение о наличии дополнительного техногенного загрязнения в результате предыдущей деятельности ФГУП «ГХК».