Манахов Дмитрий Валентинович

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.

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.

При периодическом переувлажнении поверхностными водами и чередовании восстановительных и окислительных условий сумма доступных растениям фракций (водорастворимой и обменной) и подвижных (водорастворимой, обменной и собственно подвижной) ²²⁶Ra в 2-10 раз выше, чем ²³²Th. Формирующиеся в элювиальных горизонтах этой почвы сегрегационные железистые конкреции оказывают слабое влияние на подвижность ²²⁶Ra, но существенно снижают подвижность ²³²Th, значительная часть которого прочно фиксируется внутри кристаллических решеток новообразованных минералов.

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.

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.

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.

В период с 1978 по 2021 г. изучались параметры миграции и динамика распределения ¹³⁷Cs в пахотных и целинных почвах Тульской области. Выявлены идентичные закономерности распределения ¹³⁷Cs глобальных и аварийных чернобыльских выпадений в почвенном профиле выщелоченных черноземов. На пахотных угодьях проведение агротехнических мероприятий способствует равномерному распределению ¹³⁷Cs в пахотном слое почв. В ненарушенных почвенных горизонтах черноземных почв луговых фитоценозов наиболее активно процессы перераспределения радионуклидов в поверхностных слоях наблюдались в первый 10-летний период после выпадения, что способствовало выравниванию запасов ¹³⁷Cs в слоях 0–2 и 2–5 см и возрастанию их содержания в слое 5–10 см до более чем 30% к началу 2000 г. В настоящее время более 75% запаса ¹³⁷Cs в целинных черноземных почвах Тульской области сосредоточено в верхнем 15-см слое, а глубина проникновения радионуклидов достигает 40–45 см. 

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.