Актуальность темы. Прошло 18 лет после Чернобыльской катастрофы, в результате которой более 1 млн. га почв лесного фонда, находящегося в ведении МПР России на части 19 субъектов РФ было загрязнено цезием-137 (137Cs) с плотностью выше 1 Ки/км2. К числу областей, загрязненных радионуклидами относится и Рязанская область. Общая площадь радиоактивного загрязнения её территории оставляет 534 тыс. га, в том числе 73 тыс. га леса.
Воздействие радиации изменило природные свойства лесных экосистем и социально-экономическое значение леса, нарушило устойчивость лесного хозяйства, создало ряд ограничений в процессе лесохозяйственной деятельности и многоцелевого лесопользования. Переход радионуклидов в различные компоненты лесных экосистем специфичен и зависит от лесорастительных условий, видового состава древесных и травянистых растений и многих других факторов.
В целях восстановления экологического и социально-экономического
значения лесов на загрязненных радионуклидами территориях, необходимо
^ проводить специальный комплекс защитных мероприятий, обеспечивающих
радиационную безопасность ведения лесного хозяйства с учетом
радиоэкологической обстановки.
Поэтому изучение особенностей распределения и миграции радионуклидов в лесных экосистемах Рязанской области представляет актуальную научную и практическую задачу.
Цель и задачи исследований. Основной целью работы было изучить радиоэкологическую обстановку в лесных экосистемах Рязанской области, загрязненных радионуклидами вследствие аварии на Чернобыльской АЭС, определить уровни содержания ' 7Cs в древесных и не древесных лесных
ресурсах, оценить соответствие их санитарно-гигиеническим нормативам. Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
1. Изучить в лесах области плотность радиоактивного загрязнения почвы радионуклидами и мощность гамма-излучения.
2. Изучить распределение и миграцию радионуклидов в основных компонентах лесных экосистем и структурных частях древесных пород.
3. Выявить влияние типа лесорастительных условий (ТЛУ) на переход радионуклидов из почвы в лесную растительность.
5. Изучить возможности применения геоинформационных систем (ГИС) при оценке и прогнозе радиологической обстановки в лесных экосистемах.
Научная новизна. В результате проведенных исследований впервые получены количественные показатели радиоэкологической обстановки в лесных экосистемах Рязанской области.
Установлены особенности влияния типа лесорастительных условий на распространение и миграцию радионуклидов Cs в лесной растительности.
Выявлены особенности нормированного коэффициента перехода Cs из почвы в структурные части деревьев различных пород.
Выявлено влияние состава насаждения на переход радионуклидов из лесной подстилке в минеральную часть почвы.
Установлены видовые различия накопления радионуклидов 137Cs в условиях Рязанской области в грибах и травянистых растениях.
Показана целесообразность применения ГИС при оценке и прогнозе радиологической обстановки в лесных экосистемах.
Практическая значимость. Материалы проведенного радиационного обследования почв лесного фонда Рязанской области, составленные карты-схемы и поквартальные ведомости использованы для выделения зон и подзон радиоактивного загрязнения.
I* 6
Данные, полученные с заложенной сети стационарных участков для мониторинга радиоэкологической обстановки используются при отпуске леса на корню и освидетельствовании лесопродукции по радиационному признаку.
Разработаны рекомендации по лесопользованию в Рязанской области на загрязненной радионуклидами территории
Расчеты зависимости плотности загрязнения почвы 137Cs от мощности гамма-излучения используются сотрудниками лесхозов при экспресс-контроле за радиационной обстановкой в лесах области.
Результаты исследования грибов используются органами санэпидемнадзора для расчета доз внутреннего облучения при проведении паспортизации населенных пунктов области.
Личный вклад автора состоит в постановке проблемы, формировании целей и задач, разработке программы исследований. При личном участии и руководстве автора проведено радиационное обследование 1300 лесных кварталов. Отобрано, подготовлено к анализу, проведено спектрометрическое исследование более 5000 образцов почвы, растительности, мхов, грибов на современной приборной аппаратуре. Разработка практических рекомендаций, расчетов доз внутреннего облучения также выполнена лично автором.
Основные положения, вынесенные на защиту:
1. Характеристика и динамика радиоэкологической обстановки в лесном фонде Рязанской области за период с 1994 по 2002 гг.
2. Влияние влажности и трофности почвы, породного состава и типа лесорастительных условий на распределение и миграцию радионуклидов в структурных частях древесных пород.
3. Особенности накопления радионуклидов в основных ресурсах побочного лесопользования.
4. Применение ГИС при оценке и прогнозе радиологической обстановки в лесных экосистемах.
I* 7
Реализация работы.
С 1994 г. в лесном фонде Рязанской области осуществляется радиационно-экологический мониторинг на 16 стационарных участках.
С 1995 г. ведение лесопользования на загрязненной радионуклидами территории лесного фонда области проводится в соответствии с разработанными рекомендациями.
С 1997 г. проводится производственный радиационный контроль удельной активности радионуклидов в продукции лесного хозяйства.
В 2001 г. в лаборатории радиационного контроля проведена опытная проверка применения ГИС при оценке соответствия санитарно-гигиеническим нормативам средних уровней содержания Cs в лесных ресурсах.
Апробация работ. Основные положения диссертации докладывались на III республиканской научной конференции «Человек и окружающая среда» (Рязань, 1999 г.), на секции НТС Рослесхоза (Москва, 2000 г.), на межрегиональной научно-практической конференции «Социально-гигиенического мониторинга здоровья населения» (Рязань, 2001 г.), на международной научной конференции «Биологические ресурсы и устойчивое развитие» (Пущино, 2001 г.).
Публикации. По итогам исследований опубликовано восемь научных статей.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, восьми глав, заключения, списка литературы из 151 наименований и приложения. Текстовая часть диссертационной работы изложена на 157 страницах, включая 65 таблиц и 31 рисунок.
ф 8
Глава 1 Состояние вопроса
Освоение человеком в XX столетии нового мощного источника энергии- энергии атомного распада - сопровождалось возникновением сложных проблем обеспечения безопасности связанных с выбросом в окружающую среду радиоактивных веществ в результате аварий на атомных установках.
* Начиная с 1944 г., во всем мире произошло 294 радиационные аварии. На территории бывшего Советского Союза произошли аварии на ПО «Маяк» (Челябинская область, 1949-1956, 1957, 1967 гг.), на Сибирском химическом комбинате (Томская область, 1993 г.), на Чернобыльской АЭС (Украина, 1986 г.), из которых последняя занимает особое положение. В результате аварии на Чернобыльской АЭС более 200 тыс. км2 территории 17 стран Европы подверглись загрязнению цезием с плотностью свыше 37 кБк/м2 (1 Ки/км2), 72% от суммарных чернобыльских выпадений в Европе пришлось на Белоруссию, Россию и Украину. В этих странах на загрязненную территорию площадью 140,4 тыс. км2 выпало радионуклидов с общей активностью 46 ПБк
* (Таб. 3.1) [37, 135].
На территории РФ радиоактивные загрязнения чернобыльского происхождения с уровнями загрязнения более 37 кБк/м2 (1 Ки/км2 по 137Cs) были обнаружены на территории 19 областей России, а общая их площадь по 137Cs составила 59,3 тыс.км2. Наиболее загрязненными в России являются Брянская (11,8 тыс. км загрязненных территорий), Тульская (11,6 тыс. км ), Орловская (8,9 тыс. км ) и Рязанская (5,3 тыс. км ) области. На загрязненной территории проживает около 1800 тыс. человек (по состоянию на 01.01.1999 г.) [135].
В Рязанской области в населенных пунктах расположенных на загрязненной территории проживает 180 тыс. человек [25], в том числе работников лесного хозяйства и членов их семей около 1400 человек.
Таблица 1.1
Суммарное загрязнение Европейских стран цезием-137 от Чернобыльской аварии
Страна Площадь, 103 км2 Чернобыльские выпадения
Страны Территории с загрязнением свыше 1 Ки/км2 %от площади страны ПБк кКи %от суммарных выпадений в Европе
Белоруссия 210 43,50 20,7 15,0 400,0 23,4
Россия (Европейская часть) 3 800 59,30 1,6 19,0 520,0 29,7
Украина 600 37,63 6,3 12,0 310,0 18,8
Всего 140,43 46 1230
На территории РФ площадь загрязненных земель составила 59,3 тыс. км2, из них земли лесного фонда занимают более 1 млн. га лесных угодий, в т.ч. более 126 тыс. га - свыше 5 Ки/км2 [80].
При крупномасштабных радиационных авариях в лесохозяйственной сфере возникают долгосрочные и значимые проблемы, имеющие существенное значение в экономике. Загрязнение леса становится источником внутреннего и внешнего облучения населения, потребляющего в пищу дичь, лесные грибы и ягоды использует древесные лесные ресурсов в строительстве, мебельной промышленности, для отопления и т.д. [72, 75, 76, 102].
Долгосрочные последствия радиоактивного загрязнения лесного фонда учитываются при осуществлении мероприятий по радиационной реабилитации и социально-экономическому развитию пострадавших районов, обеспечивая
i# 10
при этом радиационную безопасность населения. Система защитных мероприятий по ведению лесного хозяйства в условиях радиоактивного загрязнения охватывает весь комплекс лесохозяйственной деятельности.
Широкое использование атомной энергии в хозяйственной деятельности человека вызвало необходимость изучения путей миграции радионуклидов в природных экосистемах и влияния ионизирующего излучения на популяции и отдельные организмы растений и животных, на их жизнедеятельность и генетический аппарат. Радиационное воздействие на живые организмы приобрело значимость экологического фактора, что привело к возникновению радиоэкологии [1]. Радиоэкологические исследования, проведенные в различных компонентах природной среды, показали, что лесные экосистемы играют важнейшую роль в поглощении и перераспределении радионуклидов и в то же время отличаются высокой радиочувствительностью [10, 15, 28, 43, 46, 69, 112, 124, 126, 127, 132, 140]. Особенности поведения радионуклидов в лесных экосистемах обусловили создание такого направления экологии как лесная радиоэкология [1,2, 7].
На начальных этапах развития лесной радиоэкологии большое внимание уделялось действию ионизирующего излучения на лесной ценоз [123, 146, 148, ^ 149, 150]. Специально поставленные в различных компонентах природной
среды эксперименты по хроническому облучению естественных растительных сообществ потоками гамма-квантов и нейтронов от мощных точечных источников цезия-137 и кобальта-60 показали, что лесные экосистемы отличаются высокой радиочувствительностью. В этих экспериментах были выявлены дозовые зависимости поражения ионизирующим излучением различных компонентов лесных биогеоценозов. Исследования показали, что хвойные растения, особенно различные виды сосны, отличаются высокой радиочувствительностью, и летальные дозы для них составляют 80-100 Гр. Хвойные породы даже при облучении в относительно малых дозах 2-20 '* Гр/сутки в условиях хронического действия ионизирующего облучения
<» 11
испытывают сильное угнетение. Лиственные породы являются радиоустойчивыми, они сохраняют жизнеспособность при поглощенной дозе на порядок выше, чем хвойные [31, 64, 123]. Радионуклиды локализованы преимущественно в живых тканях коры и, в первую очередь, в меристематически и метаболически активных тканях. В древесине они находятся в лучах и древесинной паренхиме [41]. Установлено, что наиболее интенсивное угнетение роста при воздействии радиационного излучения на сосново-лиственные насаждения наблюдается в весенний период. В значительной мере ридиочувствительность лесных экосистем обусловлена большой задерживающей способностью древесного яруса по отношению к радиоактивным выпадениям и может изменяться в широком диапазоне значений: нижний предел коэффициента задержания не превышает 20 %, а верхний близок к 100 % [124].
Большое значение в развитии лесной радиоэкологии имели работы по изучению лесных экосистем в районе Кыштымской ядерной аварии (1957 г.), проведенные P.M. Алексахиным, Ф.А. Тихомировым, Б.С. Пристером, Е.А. Федоровым и др. учеными.
После аварии на Чернобыльской АЭС изучение радиационной обстановки и мониторинг за радиоактивным загрязнением природной среды проводился и ведется сотрудниками научных учреждений: Росгидромета, Академии наук России, Беларуси, Украины, Минздрава, Минсельхоза, Министерства лесного хозяйства, Министерства природных ресурсов.
Авария на Чернобыльской АЭС не имеет аналогов, как по площади радиоактивного загрязнения, так и по мощности дозы гамма-излучения. Общий выброс продуктов деления из поврежденного реактора составил около 50 млн. Ки, возможно и больше, причем наиболее значительный парциальный вклад в общую активность внесли 131I, I44Ce, 106Ru, ш Cs, 137Cs, а впоследствии 90Sr, которые благодаря своей высокой подвижности представляют наибольшую \Щ опасность для растений и животных [8, 38, 121]. Как известно, в отработанном
12
топливе АЭС содержание этих радионуклидов во много раз превышает выбросы их при атомных взрывах, что обуславливает длительное радиационное загрязнение на больших площадях вокруг аварийного реактора [80].
Следует отметить, что в результате испытаний ядерного оружия в 50-х и начале 60-х годах в атмосфере северного полушария и на поверхности земли уже присутствовали определенное количество радиоактивных веществ, приведшее к глобальному фоновому загрязнению. В отличие от глобальных выпадений, чернобыльские выпадения характеризовались чрезвычайно высокими локальными уровнями. Неравномерный характер выбросов радионуклидов из разрушенного реактора, сложная траектория движения воздушных масс, различия в выпадении атмосферных осадков, ландшафтных и микроклиматических условий привели к формированию чрезвычайно пятнистого загрязнения территорий.
Максимальное радиоактивное воздействие на лесные экосистемы пришлось на период острого облучения, непосредственно после аварии при прохождении парогазовых аэрозольных облаков, когда мощности экспозиционных доз достигали десятки и сотни рентген в час. Практически 90-95 % суммарной поглощенной дозы в зоне летального и сублетального поражения были получены древесными растениями до 1 июня 1986 г., т.е. пришлись на период активных весенних ростовых процессов у большинства растений, произрастающих в этом районе [38].
Первоначально, при аэральном поступлении радионуклидный состав загрязнения структурных органов растений идентичен выпавшей радиоактивной смеси. Структурные компоненты, загрязнение которых возможно лишь в результате транспорта радионуклидов с поверхности загрязненных органов или через корневую систему, содержат лишь изотопы цезия. В последующем, динамика радионуклидного загрязнения структурных частей дерева характеризуется снижением доли короткоживущих радионуклидов и нарастанием доли долгоживущих изотопов 137Cs и 90Sr. К 1994
13
г. доля 137Cs в радионуклидном составе увеличилась с 14-16% до 60-65%, a 90Sr с 7-8 % до 30-36 % [46]. Спустя 2-3 года после чернобыльских выпадений единственно биологически значимыми радионуклидами становятся цезий-137 и стронций-90.
Уже через 2 месяца основная масса радионуклидов мигрировала в лесную подстилку. Даже через 7 лет после аварии 80-90 % выбросов сохранилось в верхнем 3-5 см слое [62]. Вертикальная миграция радионуклидов в почвах лесов, подвергшихся радиоактивному загрязнению, как в пределах отдельных биогеоценозов, так и всей территории загрязнения неодинакова [140], что обусловлено различной интенсивностью протекания процессов, определяющих перемещение выпадений в вглубь почвенного профиля. Щегловым А.И. было отмечено, что «по мере удаления от источника выброса наблюдается нарастание количества радионуклидов, мигрирующих из горизонта лесной подстилки в минеральную толщу». По профилю почвы миграция радионуклидов является следствием различных процессов, к которым относятся инфильтрация атмосферных осадков вглубь почвы, капиллярный поток влаги к поверхности в результате испарения, диффузия свободных и адсорбированных ионов, деятельность почвенных животных [9, 44, 86, 98]. Специфика распределения изотопов по профилю определяется, прежде всего, физическими и физико-химическими свойствами самой почвы, их механическим составом. В автоморфных почвах 137Cs аккумулируется в верхнем 1-2 см слое минеральной части. Ниже указанной толщины концентрация радионуклидов падает и на глубине 30-70 см не превышает фонового значения. В почвах гидроморфного ряда интенсивность миграции примерно в 2-3 раза выше, чем в автоморфных. В этих почвах снижение концентрации 137Cs происходит более плавно [140].
Исследованиями разной длительности установлено, что в большинстве случаев радионуклиды на длительное время закрепляются в самом верхнем
I* 14
слое почвы (0-10 см.). Наилучшими адсорбентами для них являются органическое вещество почвы и глинистые минералы [9, 118].
Миграции радионуклидов из почвы в компоненты лесного фитоценоза уделялось большое внимание с первых лет после аварии до сегодняшних дней. В результате многолетних исследований накоплено большое количество данных о закономерностях распределения миграции долгоживущих радионуклидов 137Cs и 90Sr в лесных экосистемах. Радиационное воздействие на лес радионуклидов изучалось P.M. Алексахиным (1970, 1977, 1979, 1982, 1990,1992), Ф.А. Тихомировым (1989, 1990,1995, 1996), А.И. Щегловым (2000), СИ. Душа-Гудым (1993, 1999), К.Д. Мухамедшиным (1995, 1996, 2001), И.М. Булавиком (1990, 1998), Г.М. Козубовым (1990, 1994), И.И. Марадудиным (1990, 1995, 1996, 2001), В.П. Красновым (1990, 1993, 1996, 1997) и др. авторами.
Стабилизация распределения радионуклидов в растениях обычно наступает на 3-6 год после загрязнения. К началу наших исследований основное поступление радионуклидов из почвы в древесные растения уже происходило через корневую систему.
В сельскохозяйственной радиоэкологии установлено, что растения имеют неодинаковую способность к усвоению различных по доступности форм соединений. Аненков Б.Н. отмечал, что наблюдается «аналогия в поступлении в растения 137Cs и 90Sr и их химических аналогов кальция и калия. Растения, содержащие больше кальция, накапливают Sr в повышенных количествах, а растения, отличающиеся высоким содержанием калия, в большинстве случаев накапливают больше 90Sr». Межсортовые различия по концентрации радионуклидов в урожае зерновых и бобовых культур могут достигать 2-3-кратной величины [8].
Белорусские ученые [12, 14] по данным наблюдения выделяют три
периода динамики накопления. Первый начинается с момента выброса до осени
1Щ 1986 г. - период интенсивного механического самоочищения. В это время
I* »5
удельная активность растительного яруса определяется только поверхностным загрязнением. Динамика загрязнения определяется скоростью механического самоочищения поверхности растений.
Второй период - с осени 1986 г. по 1988-89 гг. - период биологического самоочищения и нарастания роли корневого поступления. В этот период характер динамики сохраняется, но интенсивность процесса дезактивации резко изменятся, и протекает на фоне нарастания корневого поступления радионуклидов в растительность.
Третий период - с 1989 г. по настоящее время - период определяющей роли корневого поступления и достижения квазиравновесного состояния в системе «почва-растение». В это время характер динамики в различных биогеоценозах меняется неоднозначно в зависимости от почвенно-геохимических условий и радиоактивных выпадений.
Большое внимание в послеаварийный период уделялось изучению накопления радионуклидов в продукции побочного лесопользования. Особое внимание обращают на себя съедобные грибы, которые обладают способностью накапливать в своих плодовых телах большое количество радионуклидов. В среднем удельная активность грибов более чем в 20 раз ^ превосходить таковую максимально загрязненного слоя лесной подстилки
[140]. Анализу факторов, влияющих на величину накопления радионуклидов, посвящено ряд исследований [13, 24, 39, 63, 99, 144], однако проблема довольно сложна и пока далека от своего разрешения.
Первые 2-3 года после аварии был отмечен рост удельной активности
117
Cs почти во всех видах грибов. Причина, по мнению авторов, заключается, с одной стороны, в проникновении радионуклидов из верхнего слоя лесного опада в область грибного мицелия, а с другой стороны - некоторым увеличениехМ содержания 137Cs в почве за счет дополнительного поступления с опавшими листьями осенью 1986 г. из хвои хвойных деревьев в течение •? нескольких дней после аварии. В этой же работе Шутова Н. В. (1998)
I* 16
отмечено, что в течение 12 лет, прошедших со дня аварии статистически достоверное уменьшение радиоактивного загрязнения грибов не было обнаружено.
В первый период после аварии были введены ограничения по сбору лекарственных растениях в зоне радиоактивного загрязнения. Первоначально сбор запрещался на территории с плотностью загрязнения почвы 137Cs более 5 Ки/км [111]. Потом ограничение составило 2 Ки/км [73]. Однако такой подход не учитывал различной степени интенсивности накопления радионуклидов разными видами растений.
^ 137
Изучением накопления Cs лекарственными растениями занимались В.П. Краснов (1997), А.А. Орлов (1997), Е.А Федоров (1993), Е.Г., Смирнов (1993) и др. исследователи. В результате исследований были определены коэффициенты перехода 137Cs из почвы в основные виды лекарственных растений и выявлены виды, интенсивно накапливающие радионуклиды. Межвидовые различия коэффициента перехода у изучаемых видов достигает 375 раз [63]. Наибольшим накоплением радионуклидов в экологических условиях полесья Украины характеризуется черника, багульник, папоротник, а наименьшим - валерьяна, бессмертник. Анализ интенсивности накопления 137Cs различными частями и органами лекарственных растений выявил значительное варьирование коэффициента перехода даже у одного вида. Так, для ягод черники коэффициента перехода составил 125, у облиственных побегов — 69, а у листьев - 78 [63]. Анализ накопления радионуклидов лекарственными растениями в условиях средней полосы России не проводился. До настоящего времени не разработаны гигиенические нормативы по допустимым уровням содержания радионуклидов в лекарственном сырье.
К началу наших исследование в 1994 г. были выявлены закономерности
действия ионизирующего излучения на древесные растения, установлены
общие характеристики радиоактивного загрязнения лесных экосистем при
<* аварии на Чернобыльской АЭС. Но большинство исследований по
I* 17
радиоактивному загрязнению проведено на ранних стадиях Чернобыльской аварии, в основном в ближних зонах к эпицентру аварии и на территориях с высокой плотностью загрязнения почвы 1 7Cs. Исследований по распределению и миграции радионуклидов в лесных экосистемах на плотностях загрязнения не превышающих 5 Ки/км2 практически не проводилось. Между тем, только в Российской Федерации площадь земель лесного фонда с плотностью
111 'У
загрязнения почвы Cs от 1 до 5 Ки/км составила 832,3 тыс. га или 87 % от всех загрязненных лесных земель (по состоянию на 01.01. 1995 г.) [137].
Отсутствие детальных сведений о радиационной обстановки в лесном фонде Рязанской области, таких как: плотность загрязнения почвы, мощность экспозиционной дозы гамма-излучения, уровни загрязнения лесных ресурсов, а так же особенностей распределения и миграции радионуклидов в лесной растительности создало трудности в определении безопасности использования лесных ресурсов. Решение этих вопросов предусмотрено в программе настоящей диссертационной работе. |
