Щеглов Алексей Иванович

Рассмотрены возможности использования алгоритма VERT_MIG в имитационных моделях вертикальной миграции радионуклидов в почве. Алгоритм успешно применялся при построении моделей миграции 137Cs и 90Sr при радиоактивном загрязнении различных почв в результате аварий на Чернобыльской АЭС и АЭС Фукусима-1. Пред, ставлены результаты моделирования. Обсуждаются перспективы дальнейшего использования данного алгоритма и некоторые аспекты применения имитационного моделирования в этой области.

В статье анализируются фоновые уровни содержания и распределение нефтяных углеводородов (НУВ) в почвах геохимически сопряженных ландшафтов южной части Сахалина. Рассматриваются основные типы почв, сформированные в данном регионе, и показатели, определяющие миграцию НУВ в ландшафтах. Показано, что наиболее высокий фоновый уровень содержания НУВ и глубину их проникновения в почвенную толщу имеют почвы транзитно-аккумулятивных и аккумулятивных ландшафтов. В случае аварийных разливов нефти в рассматриваемых условиях, наряду с латеральным перемещением по линии геохимического стока в аккумулятивные позиции ландшафта, значимую роль будет играть вертикальная миграция НУВ в почвенном профиле.

Вертикальные профили ²²⁶Ra, ²³²Th и ⁴⁰K исследованы во взаимосвязи с почвенными свойствами: рН_вод, суммой обменных оснований (Са²⁺ и Mg²⁺), степенью насыщенности основаниями, содержанием гумуса, подвижных форм фосфора и калия. Выявлено увеличение удельной активности ²²⁶Ra, ²³²Th и ⁴⁰K в верхнем 10-сантиметровом слое гор. А в почве дубравы, сопряженное с накоплением гумуса и биогенной аккумуляцией подвижных форм калия и фосфора. Зафиксирован вынос ²²⁶Ra из средней части профиля темно-серой лесной глубоковскипающей почвы. Выявлена положительная корреляционная связь между удельной активностью ²²⁶Ra и суммой обменных оснований (Са²⁺ и Mg²⁺) в гор. А, А(АЕ), АВ и нижележащих В1, В2, В3, указывающая на сопряженное поведение этих элементов-аналогов. Отмечен вынос ²³²Th из гор. А(АЕ) и его накопление в гор. АВ в условиях локального оподзоливания темно-серой лесной почвы в березняке.

Обсуждаются некоторые аспекты применения имитационного моделирования поведения радионуклидов в пищевых цепях наземных экосистем. Описана модель поведения ¹³⁷Cs в системе типа почва-растительность-травоядные животные-хищники. Представлены результаты моделирования, в том числе расчет динамики дозовой нагрузки на животных. Показано, что при упрощенном, «чернобыльском», сценарии развития радиологической ситуации дозовые нагрузки на травоядных животных существенно ниже, чем на хищников. В целом у животных в первые 10 лет основной вклад в дозовую нагрузку вносит внешнее облучение, затем внешняя и внутренняя дозовые нагрузки становятся примерно равными.

В статье представлены результаты анализа особенностей современной радиоэкологической обстановки в лесных (сосняк, ельник, березняк) и залежных экосистемах на загрязненных территориях Калужской обл. РФ. Плотность загрязнения почв исследуемого региона природными радионуклидами (²²⁶Ra, ²³²Th, ⁴⁰K) соответствует фоновым уровням, в то время как техногенным (¹³⁷Cs) значительно превышает фоновый  показатель (3 кБк/м2) и колеблется от 60,8 до 273,8 кБк/м2. В наибольшей степени  ¹³⁷Cs загрязнены лесные (особенно хвойные) экосистемы, в наименьшей — залежные.  По сравнению с начальным периодом после выпадений (1986 г.) плотность загрязнения  почв ¹³⁷Cs в среднем снизилась более чем в три раза, однако в настоящее время по-прежнему значимо превышает допустимый уровень (37 кБк/м2). В экосистемах загрязненных территорий основной вклад в суммарную удельную активность почв, а также мощность эквивалентной поглощенной дозы вносит ¹³⁷Cs, на фоновых — ⁴⁰К.

Показано дальнейшее развитие имитационной модели EcoradOak_CS_FW сезон) ной динамики ¹³⁷Cs в компонентах экосистемы снытевой дубравы, в число которых теперь включены консументы 1-го и 2-го порядков. Моделируется перераспределение радиоцезия в полнозвенной пищевой сети лесной экосистемы типа почва—растительный покров—травоядные животные—хищники. Алгоритм, использованный в модели, позволяет учитывать влияние почвенных, метеорологических, фенологических и физиологических факторов на поведение радионуклида в этой сети и прогнозировать радиологические ситуации при различных условиях радиоактивных выпадений. Данные по загрязнению организма животных радиоцезием, полученные с помощью модели, лежат в основе расчета динамики внутренней дозовой нагрузки. Результаты моделирования могут быть использованы при нормировании лесохозяйственной продукции лиственного леса. Модель также применима для изучения перераспределения калия в трофической цепи экосистемы лиственного леса.

Дается обзор результатов многолетних исследований миграции радионуклидов аэральных выпадений в составе лизиметрических вод. Рассматриваются особенности лизиметрических исследований на различных этапах развития радиоэкологии. Отмечается, что применение лизиметров долгое время ограничивалось низкими уровнями активности радионуклидов в почвенных растворах и масштабные исследования начались после чернобыльских выпадений (1986). Показано, что наибольший выход радионуклидов в лизиметрические воды происходит в лесных, в особенности хвойных фитоценозах, наименьший — в луговых и агрофитоценозах. В многолетней динамике максимальная интенсивность миграции радионуклидов в составе лизиметрических вод отмечается в начальный период после радиоактивных выпадений, в сезонной — в летний. Оценен вклад гравитационного стока в перераспределении радионуклидов в почвенном профиле. Из горизонта лесной подстилки годовой вынос варьирует от десятых долей до единиц процентов, а из слоя 0–20 см — от сотых до десятых долей процентов от общего запаса радионуклидов в этих слоях. Относительный вынос ⁹⁰Sr значительно опережает таковой ¹³⁷Сs. В почвенном растворе от 70 до 90% радионуклидов (⁹⁰Sr, ¹³⁷Сs, ²³⁸Pu, ^239+240Pu и ²⁴¹Am) находятся в форме радионуклид-органических соединений различных молекулярных масс.

Цель работы — обобщить имеющиеся в научной литературе данные по значениям изотопного соотношения ¹³⁷Cs/¹³³Cs в почвах и растительном покрове лесных экосистем на радиоактивно загрязненных и фоновых территориях. Представленные в радиоэкологических исследованиях значения удельной активности ¹³⁷Cs и концентрации ¹³³Cs унифицированы с помощью расчета молярного соотношения этих изотопов. На основе обобщенных литературных сведений показано, что значения ¹³⁷Cs/¹³³Cs в почвах, лесных подстилках и растительности увеличиваются на радиоактивно загрязненных территориях. В фоновых регионах, подверженных только глобальным радиоактивным выпадениям, изотопное соотношение ¹³⁷Cs/¹³³Cs составляет около 0,1–1,0 (× 10^-8), тогда как в зоне чернобыльских выпадений повышается в 1000–100000 раз. Изотопное соотношение ¹³⁷Cs/¹³³Cs уменьшается вниз по профилям почв в различных лесных экосистемах. Пространственное варьирование соотношения ¹³⁷Cs/¹³³Cs в подстилках связано с разнообразием экотопов в лесных биогеоценозах. Выравнивание значений соотношения ¹³⁷Cs/¹³³Cs в растительном покрове и верхних почвенных горизонтах указывает на достигнутое равновесие техногенного ¹³⁷Cs с природным стабильным ¹³³Cs в биогеохимическом цикле этого элемента. В сравнительном исследовании выявлено, что изотопное соотношение ¹³⁷Cs/¹³³Cs возрастает в следующем ряду представителей растительного покрова: Bryophyta < Sorbus aucuparia < Lichenes < Russula vesca < Frangula alnus < Polypodióphyta. Для грибов отмечены межвидовые различия в следующем возрастающем ряду по изотопному соотношению Cs¹³⁷/Cs¹³³: Lactarius deliciosus < Sarcodon scabrosus < Suillus bovinus < Tricholoma saponaceum < Lepista nuda < Russula delica < Macrolepiota excoriata. Для эталонного вида хвойных деревьев — Pinus sylvestris — изотопное соотношение ¹³⁷Cs/¹³³Cs на загрязненном чернобыльскими выпадениями лесном участке Брянской области возрастает в следующем ряду компонентов: корни < крупные ветви < древесина ствола < хвоя < мелкие ветки < шишки.

Исследование было проведено с целью выявления особенностей поведения ¹³⁷Cs и К в системе «почва-растение» в агроценозах и природном луговом биогеоценозе черноземной зоны в отдаленный период после чернобыльских выпадений. В центральной части Плавского радиоактивного пятна Тульской области были выбраны площадки опробования в агроценозах с пшеницей, соей, гречихой, рапсом, подсолнечником, злаково-бобовой травосмесью, а также в естественном биогеоценозе суходольного луга. Установлено, что средний уровень радиоактивного загрязнения почв территории ¹³⁷Cs составил 171 ± 26 кБк/м² (498 ± 100 Бк/кг); среднее содержание валового К — 2,0 ± 0,1%, в том числе К_обм — 235 ± 54 мг/кг, К_необм — 816 ± 116 мг/кг. Профильное распределение ¹³⁷Cs в пределах загрязненного 30-см поверхностного слоя агроценозов, а также К_вал во всех почвах было равномерно-аккумулятивным, в то время как распределение К_обм и К_необм носило регрессивно-аккумулятивный характер; при этом микрораспределение ¹³⁷Cs в корнеобитаемой зоне было инвариантным, а для подвижных форм калия показано градиентное обогащение почвы вблизи поверхности корней. Интенсивность перехода ¹³⁷Cs из почв в растения для всех исследованных культур на 1–2 порядка уступала интенсивности корневого потребления растениями К. Различались и особенности распределения элементов между органами растений, причем для ¹³⁷Cs оно было акропетальным для представителей сем. Злаковые и базипетальным для культур из других семейств, а К распределялся базипетально во всех опробованных растениях.

В статье рассматриваются процессы перехода в водную фазу и поглощения из нее растениями стабильных (Cd) и радиоактивного (¹⁰⁹Cd) изотопов. С помощью последовательного фракционирования по методу Тесье-Форстнера выявлены закономерности распределения Cd/¹⁰⁹Cd между различными формами их химических соединений в почве. Показано, что содержание подвижных и условно подвижных форм соединений стабильного Cd (фракции F1-F3) было в 1,2–1,8 раза меньше, чем радиоактивного ¹⁰⁹Cd. Однако для неподвижных консервативных форм соединений металла (фракции F4-F6) это соотношение было, наоборот, в 2,4–5,3 раза больше. Оценены концентрация Cd, удельная активность ¹⁰⁹Cd, коэффициенты распределения и концентрирования природного Cd и радионуклида ¹⁰⁹Cd, накопление и вынос металла растениями. Определены величины коэффициентов обогащения природного (стабильного) Cd, содержащегося в последовательно извлекаемых химических фракциях, радиоизотопом ¹⁰⁹Cd, рассчитана величина запаса подвижных соединений Cd (¹⁰⁹Cd) в исследуемой почве. По результатам спектроскопии ЯМР твердого тела на ядрах ¹³C установлен качественный состав высокомолекулярных органических соединений почвенного раствора и оценена их способность к специфической сорбции катионов тяжелых металлов, включая Cd.

В статье рассматриваются особенности биологического круговорота ⁹⁰Sr в березовых лесах Брянской области в отдаленный период после чернобыльских выпадений. Приведены показатели удельной активности и запасов ⁹⁰Sr в почвенной толще, различных структурах и видах древесного и травяно-кустарничкового ярусов, высших грибах, опаде. Показано, что в настоящее время в загрязненных березняках Брянского Полесья основной запас ⁹⁰Sr сосредоточен в почве — 82,3%, из них около 71% — в минеральных почвенных горизонтах; биота содержит всего 17,7% суммарного запаса радионуклида с максимальными показателями в древесном ярусе. Вклад травяно-кустарничковой растительности и высших грибов невелик — <0,5%. В березняках в биологический круговорот вовлекается 3,07 кБк·м^{-2 90}Sr, что составляет около 3% от его общих запасов в БГЦ и примерно соответствует радиоактивному распаду этого радионуклида. Основная часть ⁹⁰Sr идет на формирование годичного прироста древостоя, при этом вклад высших грибов в показатели круговорота превышает вклад травяно-кустарничкового яруса. Возврат ⁹⁰Sr в почву ниже (48,2%), чем его закрепление в годичном приросте биомассы (51,8%).

В статье рассматриваются вопросы, посвященные развитию радиоэкологии как самостоятельной научной дисциплины. Анализируются достижения прошлых лет, исследования, которые проводятся в настоящее время, а также перспективные направления развития в данной области. Предложена скорректированная периодизация этапов развития радиоэкологии с учетом накопленного к настоящему времени опыта в области этой дисциплины. На начальном этапе (1895–1929 гг.) осуществлялся сбор эмпирического материала; на первом этапе (1930–1960 гг.) был заложен теоретический фундамент и радиоэкология сформировалась как самостоятельная дисциплина; на втором этапе (1961–1990 гг.) отмечалось интенсивное, а на третьем (1991–2010 гг.) — поступательное развитие радиоэкологии; четвертый, современный этап развития радиоэкологии приходится на начало ХХI в. (2011 г. — настоящее время). Для каждого этапа рассматриваются основные научные достижения и эволюция идей в области радиоэкологии. Постулируется, что в настоящее время развитие этой дисциплины связано с дальнейшим совершенствованием мировых ядерных технологий, ликвидацией последствий ряда радиационных инцидентов (авария на АЭС Фукусима, 2011 г.), пересмотром концепции радиационной защиты окружающей среды и рядом других положений. Особое внимание уделяется лесной радиоэкологии — одному из важнейших направлений этой науки.

Определены морфологические свойства, рН, содержание органического углерода, а также удельная активность ¹³⁷Cs и естественных радионуклидов (⁴⁰K, ²²⁶Ra, ²³²Th ) в верхних горизонтах почв на дезактивированных и слабонарушенных участках города. Исследования проводились в урбоэкосистемах г. Электросталь (Московская область) в 2019 г., т. е. через шесть лет после локальных выпадений ¹³⁷Cs вследствие радиационного инцидента. Морфологические признаки верхних горизонтов урбопочв: буровато-серый цвет, легкосуглинистый состав, мелкоглыбистая и комковатая структура, включения строительных и бытовых отходов. В верхних горизонтах урбиквазиземов и урбистратифицированных почв отмечено низкое содержание углерода (менее 1%) и высокие коэффициенты вариации этого показателя. В исследованных городских почвах отмечен широкий диапазон варьирования рН_водн: от кислой (4,6–5,5) до сильнощелочной (>8,0) реакции почвенной среды. С помощью корреляционного анализа показано, что в верхних горизонтах UR уменьшено содержание органического углерода и наблюдается подщелачивание почвенной среды. Аккумулятивный тип распределения ¹³⁷Cs зафиксирован для профилей почв загрязненных урбоэкосистем, в которых не проводились дезактивационные мероприятия. В профилях урбопочв, которые подвергались земляным дезактивационным работам, выявлены низкие значения удельной активности ¹³⁷Cs в поверхностных насыпных слоях и максимумы в погребенных загрязненных горизонтах. В насыпных горизонтах UR, включающих большое количество щебня, отмечается увеличение удельной активности ²²⁶Ra. Для некоторых техногенных горизонтов UR и TCH, состоящих преимущественно из кварцевого песка, характерны очень низкие значения удельных активностей ²²⁶Ra и ⁴⁰K. Корреляционные связи химических и радиационных показателей в профилях урбопочв отражают различный состав и свойства верхних горизонтов, сформированных в результате земляных и дезактивационных работ.