Исследование условий накопления радионуклидов деревьями хвойных и лиственных пород в зонах потенциального радиационного загрязнения

Радиационное обследование лесов и мониторинг радиационной обстановки на территории Красноярского края являются важными мерами для обеспечения экологической безопасности и защиты здоровья населения. Эти мероприятия включают в себя систематическое наблюдение и оценку уровней радиоактивного загрязнения в лесных экосистемах. Картирование радиационного загрязнения включает сбор и анализ данных о пространственном распределении радионуклидов на территории лесов. Этот процесс помогает выявить зоны с повышенной радиоактивностью и принять необходимые меры для их изоляции или дезактивации.

Древостой хвойных и лиственных пород, распространенных в лесах вокруг Железногорска, выполняет функцию барьера, защищающего окружающую среду от распространения радионуклидов. Однако существующие данные часто трудно сопоставить даже для территорий с одинаковыми формами радиоактивных выпадений и сходными лесорастительными условиями. Это связано с множеством факторов, влияющих на поступление радионуклидов в растения, таких как тип леса, климатические условия, почвенный покров и т.д. Разнообразие лесов ставит перед лесной радиоэкологией задачи определения специфических особенностей миграции радионуклидов в различных зонах. Поэтому актуальными остаются вопросы изучения пространственной неоднородности накопления радионуклидов и выявления структур индикаторов, наиболее адекватно отражающих загрязнение древостоя. Учет показателей пространственной неоднородности накопления радионуклидов важен и в практических целях, к которым относится прогнозирование и оценка степени загрязнения лесной продукции. Лесная радиоэкология стремится всесторонне исследовать закономерности миграции радиоактивных веществ в лесах, а также определить влияние ионизирующего излучения на лесные биогеоценозы

Информация о переносе радионуклидов имеет важное значение для:

− исследований специфики накопления радионуклидов в лесной растительности, что является основой для разработки методов безопасного использования продукции лесного хозяйства с повышенным содержанием радионуклидов;

− расчета доз облучения различных компонентов лесных экосистем, необходимого для точного прогноза радиационного воздействия на лесные биогеоценозы.

Выделение задачи изучения миграции радионуклидов в лесах, как самостоятельной и важной проблемы радиоэкологии леса, обусловлено рядом ключевых причин. Лесные экосистемы функционируют как аккумуляторы радионуклидов, предотвращая их распространение по земной поверхности. Информация о распределении и миграции искусственных радионуклидов служит основой для разработки рекомендаций по управлению лесным хозяйством в районах с повышенным уровнем радиоактивного загрязнения

Особенность поставленной задачи заключается в том, что перемещение искусственных радионуклидов в природных ландшафтах носит ярко выраженный нестационарный характер. Это отличает их от естественных стабильных радионуклидов, распределение которых обычно близко к стационарному и изменяется медленно. В отличие от естественных стабильных и радиоактивных нуклидов, искусственные радионуклиды, после их поступления в биосферу, характеризуются сильной пространственной неоднородностью и быстрыми изменениями во времени. Анализируя возможные последствия облучения леса от этих источников, необходимо учитывать, что лесной биогеоценоз является одним из наиболее чувствительных к ионизирующей радиации среди всех биогеоценозов. В этом контексте изучение миграции радионуклидов, как источников излучений, представляет значительный интерес для прогнозирования потенциальных радиобиологических и радиоэкологических последствий загрязнения лесных экосистем радиоактивными веществами

В изучаемом районе преобладают такие хвойные породы, как сосна обыкновенная, ель сибирская, лиственница, а преобладающие лиственные породы – берёза, осина, ива, тополь, распределенные по зонам пригодных для них условий произрастания.

На потенциально опасных территориях возможного радиационного загрязнения, в настоящее время, наблюдаются различные геологические выемки, канавы, следы бурения скважин.

Хвойные породы деревьев обладают уникальными физиолого – биохимическими особенностями, которые позволяют им адаптироваться к различным экологическим условиям. Сосна обыкновенная и ель обыкновенная обладают высокой приспособленностью к почвенно-климатическим условиям, сравнительно быстрым ростом, хорошо выраженной способностью к формированию высокопродуктивных, чистых по составу, древостоев

Радиоэкологическая классификация смешанного леса является системой классификации, основанной на изучении влияния радиоактивного загрязнения на лесные экосистемы. На рассматриваемой территории можно выделить несколько типов лесов, исходя из преобладающих видов деревьев: сосновые леса; еловые леса; смешанные хвойные леса; березовые и осиновые леса; смешанные леса

Для оценки влияния деятельности предприятий атомной промышленности г. Железногорска на древостой хвойных и лиственных пород применялся радиохимический анализ, в том числе гамма-спектрометрический метод. Радиохимический анализ применялся для точного измерения удельной активности стронция-90. Процесс включал несколько этапов и представлял собой комплекс методов для определения как качественного состава, так и количественного содержания радионуклидов в исследуемых образцах. Для измерения удельной активности цезия-137 использовался гамма-спектрометрический метод. Этот метод основывается на получении спектра импульсов от детектора, который регистрирует излучение исследуемого образца. После получения спектрограммы определялась активность радионуклида в пробе

Для отбора образцов древостоя хвойных и лиственных пород выбирались здоровые и представительные деревья, без видимых признаков болезней или повреждений. При отборе образцов были выбраны деревья примерно одинакового возраста, что позволило провести более точные сравнительные исследования. В качестве образцов была собрана зеленая масса ели, сосны, лиственницы, берёзы, ивы, тополя, а также кора тех же пород. Отбиралось по три образца деревьев как хвойных, так и лиственных пород, при этом, образцы отбирались в июне – в период наиболее активной вегетации, и в январе. В каждый период года пробы отбирались с интервалом 2 недели.

Отбор проб коры:

– пробы коры отбирались по окружности ствола на высоте 1,5 м от земли;

– кора срезалась в виде стружки толщиной 0,5-3 мм (с пропорциональным содержанием луба и мертвой корки);

 – пробы коры очищались от посторонних примесей.

Далее проводился дозиметрический контроль отобранных образцов при помощи МКС – 15Д, после чего кора помещались в полиэтиленовые пакеты. В подготовленные пакетами помещали бирку с соответствующей информацией о времени забора и проверки образцов, их массе, а также наносилась надпись «образец прошел радиационный контроль».

Подготовка проб коры для анализа:

– кора предварительно высушивалась на воздухе при комнатной температуре;

– высушенная кора измельчалась на мельнице до фракции не более 0,5 см;

– измельченная кора взвешивалась на лабораторных весах с последующим отбором проб массой 100 г.

Образцы проб зелёной массы деревьев добывались при помощи секатора, затем также помещались в подготовленный полиэтиленовый пакет, содержащий соответствующую информационную бирку.

Анализ содержания цезия-137 и стронция-90 в хвойных и лиственных породах проводился радиохимическим методом в лаборатории радиационного контроля, по стандартной методике

При атмосферном выпадении радионуклиды первично задерживаются зеленой массой и корой древесных растений, далее постепенно перемещаются под полог леса в результате действия ветра и дождя. Одновременно с процессом самоочищения крон деревьев происходит перенос цезия-137 и стронция-90 в формирующуюся древесину. С течением времени, после достижения радионуклидами горизонтов «лесная подстилка-почва», в которых сосредоточены корни деревьев, становится значимым процесс корневого накопления радионуклидов древесными растениями. В результате корневого поступления радионуклидов, часть радиоактивных веществ накапливается в листьях и хвое и в результате опада возвращается на поверхность лесной подстилки.

В исследуемых хвойных древесных породах наблюдается неравномерное распределение. Концентрация радиоактивных элементов изменяется в зависимости от структурной части древостоя и условий произрастания. Вместе с тем, показатель варьирования содержания цезия-137 в структурных частях сосны и ели колеблется в пределах от 15 до 40%, в то время как показатель варьирования стронция-90 колеблется значительно больше

Результаты анализа позволяют сказать, что стронций-90 является больше биологически доступным, так как установлено, что повышенная аккумуляция радионуклидов в растениях сопровождается ростом величины коэффициента варьирования. Для всех структурных частей сосны и ели коэффициент варьирования удельной активности стронция-90 значительно больше. Наибольшее содержание зольных элементов, стронция-90 и цезия-137, отмечается в коре (см. табл. 1). Кора сосны и ели обладает более высоким содержанием зольных веществ по сравнению с их древесиной, что приводит к большей удельной активности стронция-90 и цезия-137 на единицу сухой массы.

По полученным данным определяется ярко выраженная взаимосвязь между показателями содержания золы и радионуклидов, как по отдельным породам, так и между структурными частями дерева в пределах одной породы. Наивысшая концентрация неорганических веществ отмечается в хвое, тогда как наименьшая – в древесине. Основными компонентами золы являются кальций, калий и магний, причем кальций составляет до 50% и более всех элементов золы. По содержанию стронция-90 и цезия-137 выявлена тенденция к большему накоплению указанных радионуклидов сосной, нежели елью, преимущественно корой и хвоей. Однако следует отметить, что филиал «Железногорский» имеет больше содержания долгоживущих радионуклидов из-за их стратегии глубокого геологического захоронения, но содержание радионуклидов незначительно отличаются

По результатам исследований были построены графики изменения содержания радионуклидов в сосне и ели в течение года (см. рис. 1, 2).

Рисунок 1 - Содержание цезия-137 и стронция-90 в коре сосны, произрастающей вблизи р. Енисей

DOI:10.60797/JAE.2024.49.6.2

Рисунок 2 - Содержание цезия-137 и стронция-90 в коре ели, произрастающей вблизи р. Енисей

DOI:10.60797/JAE.2024.49.6.3

По степени загрязнения древесных пород можно сделать следующее заключение: сосна наиболее восприимчива к воздействию радионуклидов, чем ель. Связано это с тем, что сосна обладает высокой способностью аккумулировать цезий-137 и стронций-90 в хвое и коре, что уменьшает их концентрацию в окружающей среде.

По результатам исследования можно сделать вывод, что содержание цезия-137 и стронция-90 в древесине, коре и ветвях деревьев меняется в течение года. В коре хвойных, растущих по берегу р. Енисей, наибольшее содержание радионуклидов отмечается весной, и концентрация цезия-137 постепенно снижается к осени. Это может быть связано с более поздним началом сокодвижения из-за влажности почвы. В холодные месяцы микробиологическая активность почвы снижается, что делает цезий-137 и стронций-90 менее доступными для растений.

Наблюдения за годовым изменением удельной активности цезия-137 и стронция-90 показали, что динамика определяется физиологией древесных растений, связанной с фазами их сезонного развития. Полученные графики демонстрируют вариабельность содержания цезия-137 и стронция-90 в деревьях в течение года.

По результатам исследований выявлено, что сосна по сравнению с елью способна накапливать большее количество радионуклидов.

В исследуемых лиственных породах кальций является необходимым компонентом протоплазмы, входит в состав ядер и микросом, участвует в связывании нуклеотидов. Соединения кальция с пектиновыми веществами формируют срединные пластинки клеток. Поскольку стронций-90 является химическим аналогом кальция, его содержание связано с содержанием кальция и зольных веществ в структурных частях древесных пород. Наибольшее содержание зольных веществ в березе, тополе и иве наблюдается в коре и листьях

Данные об удельной активности цезия-137 и стронция-90 в коре и древесине нормировали по плотности загрязнения. Расчёты удельной активности радионуклида в дереве (Бк/кг) по отношению к удельной активности радионуклида в почве (Бк/кг) позволили определить интенсивность переноса радионуклидов из почвы в деревья.

По результатам исследования выявлено, что береза по сравнению с ивой и тополем способна накапливать большее количество радионуклидов.

Зависимость удельной активности коры и древесины лиственных пород по цезию-137 и стронцию-90 от условий места произрастания рассмотрена на примере березы.

Концентрация радиоактивных элементов изменяется в зависимости от структурной части древостоя и условий произрастания (см. табл. 2).

Минимальные значения удельной активности цезия-137 и стронция-90 связаны с возможностью пересыхания верхнего, загрязненного слоя почвы.

Однако не только степень увлажнения почвы влияет на указанные выше показатели. На выбранном для исследований участке преобладает дерново-слабоподзолистая кислая почва, обладающая низкой емкостью катионного обмена в подзолистом горизонте. Это способствует адсорбции радионуклидов в верхних горизонтах и их вымыванию в нижние слои почвы.

Изменение содержания цезия-137 и стронция-90 в разные периоды года в пробах коры березы, отобранных вблизи р. Енисей (см. рис. 3).

Рисунок 3 - Содержание цезия-137 и стронция-90 в коре березы

DOI:10.60797/JAE.2024.49.6.5

По результатам исследования можно сделать вывод, что содержание цезия-137 и стронция-90 в коре меняется в течение года пикообразно. В коре берёзы, растущей по берегу р. Енисей, наибольшее содержание радионуклидов отмечается весной, и концентрация цезия-137 постепенно снижается к осени. Это может быть связано с началом интенсивного сокодвижения.

Сосна и берёза обладают уникальными физиолого−биохимическими особенностями, которые делают их эффективным средством для использования в качестве защитных насаждений от радиационного загрязнения. Высокая репродуктивная и аккумулирующая способности, быстрый рост, способность адаптироваться к различным природно-климатическим условиям делают сосну и берёзу незаменимыми элементами в системах биологической защиты и реабилитации загрязненных территорий.

Смешанные сосново-берёзовые насаждения могут служить физическим барьером, задерживающим перенос радиоактивных частиц ветром и водой, тем самым предотвращая их распространение на более широкие территории. Наличие подобных насаждений приводит к предотвращению эрозии и вымывания радионуклидов в водоемы. Это особенно важно в зонах с высоким уровнем грунтовых вод и вблизи водоемов.

Полученные результаты исследований важны для разработки эффективных стратегий мониторинга и управления радиационной обстановкой в лесных экосистемах города Железногорска.