Радиационная биология. Радиоэкология, 2023, T. 63, № 2, стр. 172-185

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДИКА

Используемые данные

Для оценки К_п¹³⁷Cs в продукцию растениеводства (зерно, картофель и овощи) использовали данные мониторинга, проводимого центром Агрохимрадиология “Брянский” в юго-западных районах Брянской области: Гордеевском, Злынковском, Климовском, Клинцовском, Красногорском, Новозыбковском и Стародубском [11, 16]. В рамках этих работ в период с 1986 по 2021 г. отбирали основные виды продукции растениеводства, включая зерно, картофель и овощи, производимые в хозяйствах, находящихся на загрязненной территории. Объемы проведения мониторинга содержания ¹³⁷Cs в продукции в различные периоды времени после аварии на Чернобыльской АЭС были не одинаковы (рис. 1).

Рис. 1.

Число проб зерна, картофеля и овощей, отобранных в юго-западных районах Брянской области в 1986–2021 гг. [11].

Fig. 1. Number of grains, potato and vegetable samples taken in the southwestern districts of Bryansk Region in 1986–2021 [11].

Информация, использованная для оценки коэффициентов перехода, содержала более 30 тыс. значений концентрации ¹³⁷Cs в зерне, измеренных в период с 1986 по 2021 г., более 9 тыс. в картофеле, измеренных с 1986 по 2007 г. и более 5 тыс. в овощах, измеренных с 1986 по 2010 г. [11, 16].

Наибольшее количество проб растениеводческой продукции при проведении мониторинга было отобрано в 1986–1993 гг. В этот период наблюдалось и наиболее активное применение защитных мероприятий в сельском хозяйстве.

Наряду с радиационным мониторингом загрязнения сельскохозяйственной продукции, в юго-западных районах Брянской области Брянским центром “Агрохимрадиология” проведено несколько циклов детального обследования плотности загрязнения ¹³⁷Cs почв сельскохозяйственных земель. Это позволило определить коэффициенты перехода этого радионуклида в растения и сельскохозяйственную продукцию.

Для расчета коэффициентов перехода использовали результаты всех обследований, проведенных до 2021 г. При этом данные каждого обследования пересчитывали к плотности загрязнения почв 1986 г. В качестве оценки плотностей загрязнения в настоящей работе использовали средние геометрические значения, рассчитанные по данным всех туров обследования [16, 17].

КОНЦЕНТРАЦИИ ¹³⁷Cs В ПРОБАХ ЗЕРНА, КАРТОФЕЛЯ И ОВОЩЕЙ В 1986 ГОДУ

Коэффициенты перехода ¹³⁷Cs в продукцию для 1986 г. можно классифицировать как К_п в какой-то мере условно, поскольку загрязнение продукции было связано с аэральным загрязнением растений, а также пылеобразованием при уборке. В то же время, рассматривая К_п как интегральный параметр, обобщающий все пути поступления, мы использовали этот параметр для всего периода наблюдений, включая 1986 г.

Данные по коэффициентам перехода ¹³⁷Cs в рассматриваемые виды сельскохозяйственной продукции приведены в табл. 1. Количество измерений, использованных для оценки К_п 1986 г., составило более 100 тыс. проб почвы, 1907 проб зерна, 1024 проб картофеля и 286 проб овощей.

Максимальные геометрические средние значения К_п¹³⁷Cs в зерно в 1986 г. (4.3 (Бк/кг)/(кБк/м²)) отмечены в Красногорском районе. Высокие и довольно близкие значения (2.2–2.6 (Бк/кг)/(кБк/м²)) зафиксированы в Гордеевском, Клинцовском и Климовском районах, а минимальные, примерно в 10 раз ниже, в Новозыбковском и Злынковском районах. Различия между загрязненными районами в меньшей степени отмечались для картофеля и овощей. Наибольшие значения К_п в картофель и овощи были зарегистрированы в Клинцовском районе, а минимальные значения были характерны для Новозыбковского района. При этом следует отметить отсутствие явной зависимости загрязнения зерна и картофеля от плотности выпадений.

Полученные оценки показывают, что К_п для ¹³⁷Cs в зерно, рассчитанные для 3лынковского и Новозыбковского районов (0.26 и 0.48 (Бк/кг)/(кБк/м²)), статистически достоверно отличаются от коэффициентов перехода, рассчитанных для остальных четырех районов, находящихся в диапазоне от 2.2 до 4.3 (Бк/кг)/(кБк/м²). Следует также отметить, что коэффициенты перехода для различных видов продукции растениеводства, производимых в этих районах, довольно близки и находятся в диапазоне от 0.19 до 0.48 (Бк/кг)/(кБк/м²). К основным отличиям между районами относятся уровни плодородия почв пахотных земель.

Сравнивая агрохимическую характеристику почв Злынковского и Новозыбковского районов с другими юго-западными районами Брянской области (Гордеевским, Климовским, Клинцовским и Красногорским), необходимо отметить высокий достигнутый уровень плодородия почв в этих двух районах. В почвах пахотных земель этих районов средневзвешенное содержание подвижного калия составляло 180 и 174 мг/кг, подвижного фосфора 193 и 215 мг/кг, а степень кислотности (pH_КСl) 6.1 и 5.9 соответственно. Такие уровни содержания основных элементов питания в почвах обеспечивали бездефицитный баланс калия, кальция и фосфора в почвенном растворе, что в значительной степени снижало переход ¹³⁷Cs в растения.

Исходя из этого критерия районы были разделены на две группы: Гордеевский, Климовский, Клинцовский, Красногорский районы (группа 1) и Злынковский (с 1959 до 1988 г. был в составе Новозыбковского района), Новозыбковский районы (группа 2). При этом необходимо отметить, что коэффициенты перехода ¹³⁷Cs в зерно Новозыбковского и Злынковского районов, рассчитанные по состоянию на 1986 г., статистически отличаются от коэффициентов перехода, оцененных для остальных районов. Вследствие этого оценки статистических характеристик коэффициентов перехода в зерно, картофель и овощи в 1986 г. были сделаны как для территории радиоактивного загрязнения в целом, так и отдельно для двух групп выделенных районов (табл. 2).

Авария на Чернобыльской АЭС произошла в конце апреля 1986 г. до начала посадок картофеля и овощей. Яровые зерновые и зернобобовые культуры были высеяны не на всей планируемой площади, а около 70% посевных площадей зерновых культур в юго-западных районах Брянской области составляли озимые, механизмы загрязнения которых в 1986 г. отличались от механизмов загрязнения яровых зерновых культур, картофеля и овощей. В первый год после аварии корневое поступление в озимые растения было возможно только из верхнего горизонта почвы, тогда как в яровые и пропашные культуры поступление радионуклидов происходило из всего пахотного слоя. Вследствие этого параметры перехода ¹³⁷Cs в зерно озимых культур отличались от параметров загрязнения, характерных для яровых, а доля озимых в урожае существенно может отражаться на средних характеристиках загрязнения урожая.

Среднее значение К_п¹³⁷Cs в зерно, производимое в юго-западных районах Брянской области, было примерно в 5 раз выше, чем в картофеле и в 6 раз, чем в овощах. Эти отношения значительно варьировали в зависимости от района и менялись от 14.8 – (отношение К_п для зерна к К_п для овощей) в Красногорском районе до 0.96 – в Новозыбковском районе.

Во всех рассмотренных случаях средние значения были больше медианы и геометрического среднего, а коэффициент вариации данных варьировал от 0.5 до 0.9. Это позволяет сделать вывод, что распределения этого параметра носят для рассмотренных ситуаций асимметричный характер, что определяет необходимость использовать логнормальное распределение для вероятностных оценок загрязнения сельскохозяйственной продукции.

Полученные результаты имеют важное значение для практики аварийного реагирования и могут быть использованы для анализа широкого спектра сценариев загрязнения окружающей среды. Для оценки К_п в год радиоактивных выпадений в регионах с плодородными почвами и достаточно высоким уровнем земледелия для прогнозирования загрязнения продукции растениеводства можно предложить значение 0.33 (Бк/кг)/(кБк/м²) для всех рассматриваемых видов продукции. Для регионов с низким плодородием целесообразно использовать более высокие оценки, полученные для группы, включающей Гордеевский, Климовский, Клинцовский и Красногорский районы, а именно, 2.6, 0.6 и 0.46 (Бк/кг)/(кБк/м²) для зерна, картофеля и овощей соответственно. Для консервативных оценок в обоих случаях можно использовать верхние доверительные интервалы, приведенные в табл. 2.

Периоды полуснижения коэффициентов перехода ¹³⁷Cs в продукцию растениеводства

Периоды полуснижения коэффициентов перехода ¹³⁷Cs в зерно и картофель и овощи, производимые в юго-западных районах Брянской области в период с 1987 по 2021 г., приведены в табл. 3. Для зерна можно выделить три временных интервала, периоды полуснижения между которыми статически различны (рис. 1): с 1987 по 1990 г., с 1991 по 2010 г. и с 2011 по 2021 г. Первый период охватывает промежуток времени, когда агрохимические мероприятия применялись в постоянно увеличивающих масштабах, второй, когда объ-емы их проведения ограничивались относительно небольшим количеством “критических” хозяйств, и третий период, когда эффект от мероприятий был практически нивелирован, а снижение загрязнения продукции определялось главным образом естественным снижением биологической доступности ¹³⁷Cs в почве и радиоактивным распадом.

Первые периоды (1987–1990 гг.) полуснижения К_п¹³⁷Cs в зерно, картофель и овощи довольно близки и находятся в большинстве случаев в диапазоне от 0.7 до 1.0 года. Более длинные периоды 1.3–2.4 отмечены для Новозыбковского и Злынковского районов (зерно). Отмеченные расхождения, по-видимому, связаны с различиями в уровнях плодородия почв, сложившихся в этих районах к 1986 г., поскольку на более бедных почвах Гордеевского, Красногорского и Клинцовского районов применение больших доз минеральных удобрений давало больший эффект, чем на более плодородных почвах Новозыбковского района.

Снижение К_п¹³⁷Cs в зерно замедлилось во всех районах после 1991 г., а периоды полуснижения (с 1991 по 2011 г.) в большинстве случаев находятся в диапазоне от 7.4 до 17.3 года. В Стародубском районе проведение мониторинга продукции растениеводства было начато в 1993 г., что позволяет оценить только второй период полуснижения коэффициентов перехода, который оказался равным 23.9 годам. В этот период особое значение приобретает зависимость поступления радионуклидов от погодных условий, поскольку в зависимости от погодных условий конкретного года коэффициенты перехода из почвы в растения могут изменяться до 5 раз [1, 4]. Этим во многом объясняются высокая вариабельность К_п¹³⁷Cs в продукции и недостаточно высокие значения R² в условиях, когда влияние других факторов незначительно, либо они компенсируют друг друга.

Закономерности динамики К_п ¹³⁷Cs в продукцию растениеводства

Обобщенные данные по динамике коэффициентов перехода ¹³⁷Cs в зерно, картофель и овощи представлены на рис. 2–4.

Рис. 2.

Динамика снижения коэффициентов перехода ¹³⁷Cs в зерно юго-западных районов Брянской области после аварии на Чернобыльской АЭС. Сплошная линия показывает значения К_п, приведенные в рекомендациях по ведению АПК и периоды их применения.

Fig. 2. Dynamics of ¹³⁷Cs aggregated transfer factor values (T_ag) to grain of the south-western districts of the Bryansk region after the Chernobyl accident. The solid line shows the T_ag values given in the recommendations for the agriculture and the periods of their application.

Рис. 3.

Динамика снижения коэффициентов перехода ¹³⁷Cs в картофель юго-западных районов Брянской области после аварии на Чернобыльской АЭС. Сплошная линия показывает значения К_п, приведенные в рекомендациях по ведению АПК и периоды их применения.

Fig. 3. Dynamics of ¹³⁷Cs transfer factors reduction in potatoes of south-western districts of Bryansk region after the Chernobyl accident. The solid line shows the T_ag values given in the recommendations for the agriculture and the periods of their application.

Рис. 4.

Динамика снижения коэффициентов перехода ¹³⁷Cs в овощи юго-западных районов Брянской области после аварии на Чернобыльской АЭС. Сплошная линия показывает значения К_п, приведенные в рекомендациях по ведению АПК и периоды их применения.

Fig. 4. Dynamics of ¹³⁷Cs aggregated transfer factors to vegetables produced in the south-western districts of the Bryansk region after the Chernobyl accident. The solid line shows the T_ag values given in the recommendations for the agriculture and the periods of their application.

Также на этих рисунках приводятся значения К_п, предложенные для прогнозирования поступления ¹³⁷Cs в продукцию в различные периоды времени после аварии на Чернобыльской АЭС (табл. 4). Первые (временные) рекомендации по ведению агропромышленного производства в Белорусской ССР на территории, подвергшейся радиоактивному загрязнению, были изданы ВНИИРАЭ (на тот момент времени ВНИИСХР) уже в середине 1986 г. [18] (табл. 4). В этих рекомендациях были представлены значения коэффициентов перехода для второго года после аварии и на последующий период до 1991 г. (рис. 2–4). Для оценки коэффициентов перехода использовались радиоэкологические данные исследований, выполненные на глобальных выпадениях и в зоне аварии на Южном Урале. В последующем значения коэффициентов перехода уточнялись на основе текущей информации [18–21 ].

В 1991 г. вышли Рекомендации по ведению сельского хозяйства в условиях радиоактивного загрязнения территории в результате аварии на Чернобыльской АЭС на период 1991–1995 гг., которые содержали уточненные значения коэффициентов перехода, актуальные на начало 90-х годов, которые и использовались в восстановительный период после аварии на Чернобыльской АЭС [19 ] .

В 2005 г. ВНИИРАЭ опубликовал Руководство по ведению сельскохозяйственного производства на радиоактивно загрязненных территориях Республики Беларусь и Российской Федерации, которые также включали рекомендации по выбору К_п в продукцию растениеводства в отдаленный период после аварии на Чернобыльской АЭС [20 ] .

Во всех этих документах были предложены значения коэффициентов перехода для почв различного механического состава, что позволяло проводить их более точную адаптацию к условиям загрязненных регионов (табл. 4). Для сравнения с данными мониторинга на рис. 2–4, данные табл. 4 были пересчитаны на основе данных руководств [18–20 ] с учетом почвенных характеристик рассматриваемых районов [21].

Видно, что рекомендуемые значения в большинстве случаев, за исключением К_п в зерно в 1987–1989 гг. и картофель в 1987 г., давали консервативную оценку содержания ¹³⁷Cs в продукции растениеводства, достаточно адекватно отражая динамику снижения К_п. Так, в период с 1991 по 2005 г., использование параметров, предложенных в работе [19 ] , в 5–7 раз превышали К_п, представленные в настоящей работе. В первую очередь эти различия объяснялись тем, что активное применение агрохимических мероприятий позволило добиться существенного снижения загрязнения продукции, а также постепенным снижением коэффициентов перехода в результате сорбции цезия в почве. Результаты расчетов на основе К_п, предложенных для отдаленного периода [20 ] , когда влияние мероприятий нивелировалось, превышали реальные данные в 2–3 раза (рис. 4).

Динамика снижения коэффициентов перехода ¹³⁷Cs в продукцию растениеводства носила неравномерный характер. Можно выделить несколько периодов времени после аварии, когда динамика снижения К_п¹³⁷Cs в продукцию существенно различалась. Активное проведение мероприятий, таких как известкование кислых почв и внесение повышенных доз минеральных удобрений способствовали быстрому снижению коэффициентов перехода в продукцию растениеводства. Другим фактором, способствующим уменьшению К_п¹³⁷Cs в продукцию, является снижение биологической доступности ¹³⁷Cs в результате необменной фиксации его в почвенном поглощающем комплексе [13–15]. Процесс сорбции ¹³⁷Cs обычно описывается двухкомпонентной экспоненциальной моделью [13–15], при этом первый период полуснижения после однократного загрязнения существенно короче второго периода,

Для первого периода времени характерны самые короткие периоды полуснижения К_п¹³⁷Cs в продукцию – от 0.8 (картофель) до 1.4 года (зерно). В целом эти данные согласуются с результатами более ранних оценок, приведенных в работах [2, 9, 13, 14, 22, 23].

Начиная с 1991 г. после аварии, объемы проведения защитных мероприятий существенно сократились, что непосредственно отразилось на темпах поступления ¹³⁷Cs в продукцию. Более того, применение минеральных удобрений в низких дозах приводило к росту загрязнения сельскохозяйственной продукции выше уровня, характерного для применения оптимальных доз удобрений.

В этот период увеличение поступления ¹³⁷Cs в растения за счет ухудшения плодородия почв не могло компенсироваться естественным снижением биологической доступности радионуклида, что предопределяло общее увеличение коэффициентов перехода.

Внедрение мероприятий ФЦП “Сохранение и восстановление плодородия почв земель сельскохозяйственного назначения и агроландшафтов как национального достояния России на 2006–2013 годы” позволило в определенной степени приостановить снижение плодородия почв, а динамика уменьшения ¹³⁷Cs стала соответствовать параметрам естественного снижения поступления радионуклидов в растения [12].

В результате этих процессов снижение К_п радионуклидов в продукцию сильно замедлилось, а период полуснижения, в зависимости от вида продукции, составил 31.5 года для овощей, 19.3 года – для картофеля и 15.7 года – для зерна.

Следует отметить отличия в динамике поступления ¹³⁷Cs в зерновые культуры, картофель и овощи (рис. 2–4). В первую очередь это может быть связано с тем, что в основе системы удобрений зерновых культур лежит применение минеральных удобрений, особенно калийных удобрений, тогда как значительную долю в питании картофеля и корнеплодов играют органические удобрения и повышенные дозы применения калийных и фосфорных удобрений. Вследствие этого резкое снижение поставок минеральных удобрений в 1990-х годах в большей степени сказалось на обеспеченности элементами минерального питания зерновых культур, в меньшей степени – картофеля и овощей.

Полученные результаты позволяют выделить два типа динамики изменения коэффициентов перехода после аварии на Чернобыльской АЭС, примеры которых представлены на рис. 5 и 6.

Рис. 5.

Динамика изменения К_п в ¹³⁷Cs в зерно в Гордеевском районе Брянской области.

Fig. 5. Dynamics of ¹³⁷Cs T_ag values to grain produced in the Gordeyevsky district of the Bryansk region.

Рис. 6.

Динамика изменения К_п¹³⁷Cs в картофель в Климовском и Злынковском районах Брянской области.

Fig. 6. Dynamics of ¹³⁷Cs T_ag values to potato produced in the Klimovsky and Zlunkovsky districts of the Bryansk region.

К первому типу можно отнести динамику К_п, характеризующуюся сильным снижением в начальный период, обусловленное интенсивным применением агрохимических мероприятий в районах с низким агрофоном. В этот период обеспеченность растений быстро достигает нормы и снижается существенно ниже потребности растений в элементах минерального питания. После практически полного прекращения применения минеральных удобрений наблюдается рост К_п до уровня обеспеченности растений элементами минерального питания в период времени до аварии на ЧАЭС, и затем отмечается снижение К_п, которое определяется естественным связыванием радионуклидов в почве (старение цезия) (рис. 5). Экстраполяция тренда, характерного для отдаленного периода (который можно принять как тренд естественного снижения К_п), к первым годам после выпадений совпадает с 3–4 годом после выпадений, т.е. соответствуют второй компоненте связывания цезия в почвенно-поглощающем комплексе почвы. В случае достаточно высокого плодородия почв эффект от применения агрохимических защитных мероприятий ниже, и прекращение их применения не приводит к существенному увеличению поступления ¹³⁷Cs в растения (рис. 6).

Снижение К_п в это время определяется “старением” радионуклидов в почве. Примерно через 25 лет после выпадений К_п в продукцию растениеводства в районах с более высоким и низким агрофоном сближаются. При этом можно ожидать, что по прошествии этого времени динамика коэффициентов перехода в этих районах будет близка. Отметим, что эти закономерности носят достаточно общий характер и наблюдаются как для зерновых, так и для картофеля и овощей (рис. 5 и 6). Вследствие этого при оценке снижения К_п¹³⁷Cs в продукцию необходимо учитывать как плодородие почв и особенности возделывания этих культур, так и историю применения мероприятий, направленных на снижение поступления ¹³⁷Cs в растения.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Снижение К_п в продукцию растениеводства в районах, пострадавших после аварии на Чернобыльской АЭС, носило сложный характер. Коэффициенты перехода в год выпадений, так же, как и динамика К_п в последующем, существенно зависели от исходного плодородия почв, подвергшихся загрязнению. Коэффициенты перехода ¹³⁷Сs в продукцию в районах с более высоким плодородием были в 3–8 раз (в зависимости от вида растений) ниже, чем в районах с низким агрофоном, а наиболее значительные различия отмечены для зерновых. Снижение К_п в районах с низким плодородием происходило более быстро, а достигнутый эффект по снижению К_п был выше, чем в районах с высоким плодородием. В некоторых районах после сильного снижения концентраций ¹³⁷Cs в продукции после 1991 г. отмечен медленный рост К_п¹³⁷Cs в зерно, что объясняется недостаточной компенсацией снижения агрофона геохимическим связыванием ¹³⁷Cs в почве. В последующем динамика загрязнения продукции определялась разнонаправленными процессами, т.е. увеличением поступления ¹³⁷Cs в растения, которое компенсировалось естественным снижением биологической доступности радионуклидов в почвах под действием геохимических процессов, называемых в литературе “старением цезия”. В районах с интенсивным применением контрмер в сельском хозяйстве уменьшение К_п в сельскохозяйственную продукцию определялось в большей степени влиянием защитных мероприятий. В районах с ограниченным применением контрмер преобладающий вклад в снижение К_п вносили естественные биогеохимические процессы, определяющие связывание радионуклидов почвенно-поглощающим комплексом почвы. Вследствие этого адекватный прогноз поступления радионуклидов в растения невозможен без учета истории применения агрохимических мероприятий и исходного плодородия почв, подвергшихся загрязнению.