Модель миграции 137Cs в аграрном ландшафте

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Модель миграции ¹³⁷Cs в аграрном ландшафте

А.С. Федотова, к.б.н., доцент

Проблема изучения миграции радионуклидов и контроля радиоактивного загрязнения биосферы привлекает внимание не только радиоэкологов, но и органов государственной власти и широких кругов населения. Особую актуальность проблемы радиоэкологии приобрели после крупных радиационных аварий с выбросом радиоактивных веществ в окружающую среду (авария на Южном Урале в 1957г и аварии на Чернобыльской АЭС в 1986г), а так же в результате проведения массовых испытаний ядерного оружия (1949-1965гг) на Семипалатинском полигоне. В результате атмосфера, гидросфера и литосфера насытилась долгоживущими техногенными радионуклидами. Техногенные радионуклиды, мигрируя по цепочке: почва - растения - сельскохозяйственные животные - продукция животноводства, депонируются в органах и тканях животных, подвергают хроническому облучению косный мозг, органы воспроизводства, а также вызывают развитие иммунодепрессивных состояний. Это приводит не только к снижению продуктивности животных, но и вызывает опасения радиационной безопасности продукции животноводства.

Территории, где произошли крупные аварии на предприятиях ядерно-промышленного комплекса или были проведены испытания ядерного оружия, детально изучены специалистами различных отраслей наук. В результате установлены закономерности миграции техногенных радионуклидов по трофическим цепям с учетом территориальных особенностей [1-8].

На данный момент особый интерес представляют ситуации рассмотрения миграции радионуклидов в «горячих» радиоэкологических районах или в агроэкосистемах, находящихся в непосредственной близости к площадкам АЭС и другим предприятиям ядерно-топливного цикла.

На территории Российской Федерации есть ряд регионов с радиационной обстановкой, вызывающей беспокойство у населения и лиц, принимающих решения. Причиной этого является многолетняя деятельность предприятий военно-промышленного комплекса. С учётом этого, на территории субъектов РФ осуществляются планомерные исследования радиационной обстановки. Объектом исследования при этом является человек и окружающая его среда. При радиационном мониторинге сельскохозяйственного производства оцениваются удельные активности природных и техногенных радионуклидов лишь в продукции животноводства и растениеводства.

К числу таких территорий относятся и центральные районы Красноярского края, где около полувека функционируют предприятия бывшего военного ядерно-промышленного комплекса страны. Одно из них - ФГУП «Горно-химический комбинат» (ФГУП «ГХК»), относящийся к числу предприятий первой категории потенциальной радиационной опасности, для него установлена зона наблюдения протяжённостью 1 000 км. Кроме того, в центральных районах края выявлены многочисленные радиоактивные аномалии природного происхождения. Как следует из «Геологического атласа России», центральные районы Красноярского края относятся к «опасным площадям». В тоже время, именно эти районы края относятся к числу ведущих аграрных регионов страны.

Систематическое изучение и независимый контроль радиационной обстановки в зоне наблюдения ГХК начались с конца 80-х годов. К середине 90-х годов в пойме Енисея в пределах зоны наблюдения, было выявлено более 150 участков с аномально высоким уровнем радиоактивного загрязнения. Основными нуклидами, определяющими радиационную опасность почво-грунтов, являются кобальт-60, стронций-90, цезий-137, европий-152 и -154 и плутоний-239,240 [9].

Известно, что радиационная обстановка в крае в целом изучена достаточно хорошо, однако целенаправленное изучение влияния радиоактивных выбросов и сбросов ФГУП «ГХК» на загрязнение компонентов аграрных ландшафтов и показатели радиационной безопасной продукции животноводства в Красноярском крае ранее не производилось.

Целью данной работы является установить уровни радиоактивного загрязнения основных компонентов аграрного ландшафта и продукции животноводства, изучить зависимость между удельной активностью радионуклидов в этих объектах, построить прогностические модели и модели миграции радиоактивных нуклидов по трофической цепи.

Объектом исследования выбран аграрный ландшафт с. Большой Балчуг, который располагается в лесостепной зоне края и административно относится к Сухобузимскому району. Аграрный ландшафт с. Большой Балчуг расположен в зоне наблюдения Горно-химического комбината. В его сторону ориентировано основное, северо-восточное, направление ветров, переносящих газо-аэрозольные выбросы ФГУП ГХК, а сбросы ФГУП ГХК в воду р. Енисей здесь впервые омывают берег населённого пункта.

В ходе работы были детально изучены радиоэкологические характеристики основных компонентов аграрного ландшафта: почвы, воды, растений, кормов, продукции животноводства (молоко, мясо, костная ткань). Работа проводилась в условиях мелких ферменных биогеоценозов (частных подворий), агроценозов, принадлежащих аграрному ландшафту с. Б. Балчуг. Исследования проводились в 2003…2007 гг. Радиоэкологическое обследование проводилось согласно регламентирующих документов [10, 11].

В настоящее время миграция ¹³⁷Cs по трофической цепи: почва - грубые корма - продукция животноводства в аграрном ландшафте с. Б. Балчуг находится в равновесном состоянии. Данные, полученные в период исследований с 2003 по 2006 гг., принадлежат одному интервалу значений (таблица 1), из чего следует, что газо-аэрозольные выбросы ГХК в этот период продолжались с постоянной интенсивностью.

Таблица 1- Загрязнение ¹³⁷Cs чернозема обыкновенного сенокосно-пастбищных биогеоценозов расположенных около с. Б. Балчуг

Построение модели миграции ¹³⁷Cs в изучаемом аграрном ландшафте необходимо для прогнозирования удельной активности этого радионуклида в животноводческой продукции с учётом уровня техногенного радиоактивного загрязнения местности, её изменения в случае увеличения радиоактивности газо-аэрозольных выбросов ГХК, а также для установления возможности выбора участков заготовки грубых кормов, скармливание которых способствует получению радиационно-чистой мясомолочной продукции.

При изучении миграции ¹³⁷Cs использовались коэффициенты накопления (К_н), перехода (К_п), кратности накопления (F), а также статистические методы, предназначенные для оценки коэффициентов корреляции и построения линейных регрессионных моделей.

Интенсивность поступления радионуклидов в сено разнотравное оценивалась с использованием коэффициента накопления К_н (концентрационного отношения). Транспорт ¹³⁷Cs в мышечную ткань крупного рогатого скота рассчитывался с использованием показателя кратности накоплений F. Этот показатель определяет соотношение концентрации радионуклида в ткани к новому поступлению в условиях длительного введения. Коэффициент перехода радионуклида в продукцию животноводства рассчитывался по формуле:

, (1)

где R_прод - удельная активность радионуклида в продукции животноводства (Бк/кг), R_почв - удельная активность радионуклида в почве (Бк/кг).

Коэффициент корреляции (r) между удельной активностью радионуклида в звеньях цепи миграции, величина достоверности аппроксимации (R) и уравнение регрессии для каждого звена миграции рассчитывались с использованием методов статистической обработки данных на основе математического пакета, входящего в состав программы Excel.

Расчеты выполнены в период стойлового содержания, результаты приведены в таблице 2.

Таблица 2 - Показатели миграции техногенных радионуклидов в аграрном ландшафте с. Балчуг

Значения коэффициента накопления ¹³⁷Cs многолетними растениями и коэффициента перехода ¹³⁷Cs в продукцию животноводства в аграрном ландшафте с. Б. Балчуг находятся в диапазоне, совпадающем с данными, приводимыми в научных публикациях, но впервые они получили конкретные численные значения, характерные для изучаемого аграрного ландшафта, таблица 2. В дальнейшем они могут использоваться для оценки перехода ¹³⁷Cs между звеньями миграции в аграрном ландшафте с. Б. Балчуг, в том числе в случаях изменения радиоэкологической ситуации, связанной с продолжающейся деятельностью ГХК.

Модель миграции ¹³⁷Cs, построенная на основании полученных данных, представленных в таблице 2, проиллюстрирована на рисунке 1.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 1 - Модель миграции ¹³⁷Cs в аграрном ландшафте с. Б. Балчуг

миграция радионуклид агроэкосистема

Агрохимические показатели почв, видовой состав и биологические особенности растительного покрова сенокосно-пастбищных биогеоценозов, природно-климатические условия (продолжительность вегетационного периода, тепло- и влагообеспеченность и т.п.) аграрного ландшафта с. Б. Балчуг привели к доступности лишь 10 % почвенного¹³⁷Cs.

Крупный рогатый скот как звено трофической цепи в условиях изученного аграрного ландшафта (см. рисунок 1) является значительной преградой на пути миграции ¹³⁷Cs в молочную продукцию. Это звено тормозит до 97% ¹³⁷Cs, поступившего с рационом в организм животного, при его миграции в молоко и 94% ¹³⁷ Cs - при миграции в мышечную ткань.

В результате биометрической обработки данных с использованием статистического пакета программы Excel установлена тесная линейная корреляционная связь (r = 0,98) между удельной активностью ¹³⁷Cs в мышечной ткани крупного рогатого скота и черноземе обыкновенном. Умеренная линейная корреляционная связь (r = 0,56) установлена между удельной активностью ¹³⁷Cs в сене разнотравном и молоке коровьем; удельной активностью ¹³⁷Cs в сене разнотравном и мышечной ткани крупного рогатого скота (r = 0,70); удельной активностью ¹³⁷Cs в черноземе обыкновенном и молоке коровьем с коэффициентом линейной корреляции (r = 0,62). Между показателями удельной активности ¹³⁷Cs в черноземе обыкновенном и сене разнотравном установлена слабая линейная корреляционная связь (r = 0,30).

Однако, полученные значения коэффициентов корреляции могут рассматриваться только как оценочные, так как вычисление их выполнено с учётом справедливости предположения о соответствии распределения эмпирических данных нормальному закону. Из-за ограниченного объёма выборок выполнить строгую проверку этого априорного предположения не представляется возможным. Поэтому, в дальнейшем оценки степени взаимозависимости удельной активности ¹³⁷Cs в изучаемых объектах выполнены с использованием коэффициента ранговой корреляции Спирмена, свободного от вышеуказанного ограничения. Его расчет основан на замене эмпирических значений их рангами, располагаемыми в порядке возрастания.

Исходные данные, необходимые для расчета рангового коэффициента корреляции Спирмена между значениями удельной активности ¹³⁷Cs в сене разнотравном и черноземе обыкновенном Балчугской агроэкосистемы, приведены в таблице 3.

Таблица 3 - Исходные данные для вычисления коэффициента ранговой корреляции между удельной активностью почвы и сена разнотравного

Рассчитанное значение рангового коэффициента корреляции равно 0,70. Величина обратной функции нормального распределения для доверительной вероятности 0,95 равна 1,64, а критическая величина рангового коэффициента корреляции для 11 значений при этой доверительной вероятности составляет 0,51. Таким образом, эмпирическое значение рангового коэффициента корреляции превышает критическую величину, что свидетельствует о статистически значимой корреляционной связи между значениями удельной активности ¹³⁷Cs в черноземе обыкновенном и сене разнотравном.

Наряду с выявлением корреляционной зависимости между удельной активности ¹³⁷Cs в отдельных звеньях цепи миграции, практически важным является установление количественной связи между ними в любой период мониторинговых исследований. С этой целью был проведен регрессионный анализ с использованием программы Excel.

Линейная зависимость удельной активности ¹³⁷Cs в сене разнотравном от удельной активности этого радионуклида в черноземе обыкновенном на сенокосных биогеоценозах аграрного ландшафта с. Б. Балчуг показана на рисунке 2.

Рисунок 2 - Линейная зависимость удельной активности ¹³⁷Cs в сене разнотравном и черноземе обыкновенном сенокосных биогеоценозов аграрного ландшафта с. Б. Балчуг

Следовательно, правомочно использование полученного нами уравнения линейной регрессии (6), позволяющего рассчитать удельную активность ¹³⁷Cs в растениеводческой продукции, выращиваемой в аграрном ландшафте с. Б. Балчуг, при известной концентрации ¹³⁷Cs в черноземах обыкновенных:

(2)

Для трофической цепочки аграрного ландшафта с. Б. Балчуг установлена линейная зависимость между удельной активностью ¹³⁷Cs в сене разнотравном (у) и мышечной ткани (х) с коэффициентом аппроксимации R² равном 0,5:

(3)

Такая зависимость является ожидаемой, так как очевидно, что удельная активность ¹³⁷Cs в продукции животноводства должна находиться в прямой зависимости от радиоактивности кормов, составляющих рацион сельскохозяйственных животных.

Практическая значимость этого уравнения заключается в том, что с его использованием можно достаточно точно определить ожидаемую удельную активность ¹³⁷Cs в мышечной ткани крупного рогатого скота.

В аграрном ландшафте с. Б. Балчуг зависимость удельной активности ¹³⁷Cs (у) в молоке коровьем от его удельной активности в сене разнотравном (х), заготавливаемом на сенокосных угодьях, носит линейный характер. Эта зависимость описывается уравнением следующего вида:

. (4)

Установленная линейная зависимость свидетельствует о том, что даже незначительное повышение радиоактивности рациона, обусловленное присутствием ¹³⁷Cs, приводит к эквивалентному увеличению удельной активности этого радионуклида в молоке коровьем. Соответственно, удельная активность молока, в отличие от мышечной ткани, является объективным показателем загрязненности техногенными радионуклидами рациона.

Известно, что мышечная ткань является критической органом для ¹³⁷Cs. Поэтому, мясо крупного рогатого скота, наряду с молоком, относится к числу основных дозообразующих продуктов. С учётом этого, целесообразно изучить вопрос о наличии зависимости удельной активности ¹³⁷Cs в мышечной ткани скота от радиоактивности почвы на сенокосных угодьях, тем более, что данные, показанные на рисунке 3, наглядно свидетельствуют в пользу её существования.

Результаты определения удельной активности ¹³⁷Cs в мышечной ткани и почве, необходимые для расчета коэффициента ранговой корреляции Спирмена, приведены в таблице 4.

Рисунок 3 - Линейная зависимость удельной активности ¹³⁷Cs в мышечной ткани крупного рогатого скота от концентрации ¹³⁷Cs в черноземе обыкновенном.

Таблица 4 - Исходные данные для вычисления рангового коэффициента корреляции между удельной активностью ¹³⁷Cs в мышечной ткани крупного рогатого скота и черноземе обыкновенном

Рассчитанное значение оказалось равным 0,9. Это свидетельствует о тесной взаимосвязанности удельной активности ¹³⁷Cs в черноземе обыкновенном и в мышечной ткани крупного рогатого скота и позволяет описать зависимость между этими показателями следующей линейной моделью:

(5)

Полученное уравнение линейной регрессии может использоваться для расчета удельной активности ¹³⁷Cs в мышечной ткани крупного рогатого скота Балчугской агроэкосистемы при известной концентрации ¹³⁷Cs в черноземах обыкновенных.

Таким образом, использование методов статистического анализа позволило надёжно выявить существование зависимости удельной активности ¹³⁷Cs в продукции растениеводства и животноводства от уровня техногенного радиоактивного загрязнения почв сенокосных биогеоценозов и описать эти зависимости эмпирическими уравнениями линейной регрессии. Установлено, что удельная активность ¹³⁷Cs в почвах сенокосных биогеоценозов аграрного ландшафта с. Б. Балчуг может служить объективным показателем содержания ¹³⁷Cs в продукции животноводства и растениеводства. Этот вывод имеет практическую ценность, так как позволяет прогнозировать степень радиационной опасности мясомолочной продукции на основании многочисленных сведений об уровне техногенного радиоактивного загрязнения почв в зоне наблюдения ГХК. Кроме того, становится возможным производство радиационно-чистой продукции животноводства путём выбора земельных участков для заготовки сена с минимальным уровнем загрязнения техногенными радионуклидами.

Библиографический список

1. Моделирование перехода радиоцезия из почвы в растения / А. А. Булгаков, О. В. Шкута // Радиоэкология. - 2004. - Т44. - №3. - С 351-360.

2. Миграция как один из показателей буферности ландшафта к загрязнению радиоцезием /А. С. Фрид // Радиоэкология. - 2005. - Т45. - №3. - С 236-240.

3. Моделирование миграции ¹³⁷Cs в агроэкосистемах в условиях проведения защитных и реабилитационных мероприятий / О. А. Шубина, С. Ф. Фесенко // Радиоэкология. - 2004. - Т44. - №5. - С 591-602.

4. Зависимость накопления ¹³⁷Cs и ⁹⁰Sr в травяных кормах от степени окультуренности дерново-подзолистых почв / И. М. Богдаевич, А. Г. Подоляк, Т. В. Арастович, В. П. Жданович // Радиоэкология. - 2005. - Т45. - №2. - С 241-247.

5. Прогнозирование накопления ¹³⁷Cs и ⁹⁰Sr в травостоях основных типов лугов Белорусского полесья по агрохимическим свойствам почв / А. Г. Подоляк, С. Ф. Тимофеев, Н. В. Грубеншикова, Т. В. Арастович, В. П. Жданович // Радиоэкология. - 2005. - Т45. - №1. - С 100-111.

6. Закономерности изменения содержания ¹³⁷Cs в молоке в отдаленный период после аварии на Чернобыльской АЭС / С. В. Фесенко, А. Ю. Пахомов, А. Д. Пастернак, В. А Горяинов, Г. А. Фесенко, А. В. Панов // Радиоэкология. - 2004. - Т44. - №3. - С 336-345.

7. Исследования закономерностей поведения радиоцезия в почвенно-растительном покрове Белорусского Полесья после аварии на ЧАЭС / Н.В. Гребеньщикова, С.К. Фирсакова, А.А. Новак, С.В. Тимофеев, Г.И. Полекшанова, Н.И. Самусева, И.А. Леваков // Агрохимия. - 1992г. - №1. - С 91.

8. Метаболизм радионуклидов в организме сельскохозяйственных животных / А.Н. Сироткин; под ред. Р.М. Алексахина // Сельскохозяйственная радиоэкология. - 1991г. С 92-105.

9. Закономерности распределения и миграции радионуклидов в долине реки Енисей/Сухоруков Ф.В., Дегеменджи А.Г., Белолипецкий В.М. и др.: Науч. редактором: акад. В.Ф. Шабанов, чл.-кор. РАН А.Г. Дегерменжи. - Новосибирск: Изд-во СО РАН, филиал «Гео», 2004. - 286с.

10. МУ 13.5.13-00. Организация государственного радиоэкологического мониторинга агроэкосистем в зоне воздействия радиационно-опасных объектов. - М.: ВНИИСХРАЭ, 2000. - 28с.

11. МУ. Отбор проб объектов ветеринарного надзора для проведения радиологических исследований. М., 1997г.

Размещено на Allbest.ru