Радиоэкологическое состояние тестовых территорий Бурятии

Актуальность. Радиоактивное загрязнение является основной составляющей частью радиационного фона в современной биосфере. Радионуклиды вовлекаются в круговорот веществ и активно накапливаются растениями и животными, то есть становятся неотъемлемым звеном пищевых цепей и играют огромную роль в функционировании экосистем. Поэтому изучение поведения радионуклидов в естественных природных условиях приобретает все более приоритетное значение.

После аварии на Чернобыльской АЭС в 1986 году, когда произошел огромный выброс радионуклидов в биосферу, распространившийся на большие территории, резко возросла потребность в информации о миграции радионуклидов в разных физико-географических условиях и природных средах на фоновом уровне. Этот факт в свою очередь стимулировал расширение исследовательских работ и издание научных обобщающих трудов по радиоэкологии и географии радиоактивности (Соколов, Кри-волуцкий, Усачев, 1989, Минеева, 1991, Биоиндикация и биомониторинг, 1991, Щеглов, 1999, Маркелов А. В., 1988, 2000, Маркелов Д. А., 1999, Биоиндикация радиоактивных загрязнений, 1999, и др.).

Подготовлены и введены в действие новые нормативные документы: Гигиенические требования к качеству и безопасности продовольственного сырья и пищевых продуктов. СанПиН 2.3.2.560−96 (1996) — Нормы радиационной безопасности (НРБ-99): Гигиенические нормативы (1999) — Основные санитарные правила обеспечения радиационной безопасности (ОСПОРБ-99): 2.6.1. Ионизирующее излучение, радиационная безопасность СП.2.6.1.799−99 (2000).

Проведена огромная работа и издан Атлас современного радиоэкологического состояния Европейской территории России, Украины и Беларуси (Атлас., 1999). Успехи и достижения отечественной радиоэкологии во всех ее отраслях отражены в обзоре И. В. Молчановой, В. Н Позолотиной (1999), где отмечается беспрецедентная открытость ранее секретных сведений, наряду с достигнутыми результатами указана возрастающая потребность в проведении радиоэкологических исследований для целей радиационной безопасности, экологического нормирования и прогнозирования действия радиации на биоту.

Проблемы экологического нормирования, контроля и сертификация качества среды могут быть решены только при наличии надежной информации о типовых уровнях содержания и накопления химических элементов в фоновых или эталонных природных системах. Задача создания банка данных типичных уровней элементного состава растений и животных различных экосистем и природных зон является первостепенной. Особую актуальность и значимость приобретают радиоэкологические исследования в восточных регионах России: Сибири, на Дальнем Востоке, Забайкалье, так как по этим регионам практически нет сведений о радиоэкологической обстановке.

Цель настоящей работы: разработать систему радиоэкологической оценки природных условий территории с установлением их миграционных и сорбционных свойств и создать базы данных типовых уровней содержания и накопления радионуклидов и тяжелых металлов в тестовых природных системах Бурятии.

Задачи исследования:

1) разработать требования и провести оптимизацию выбора тестовых территорий,.

2) разработать систему сбора, хранения, обработки и поддержки информации, адаптированную для компьютерных технологий,.

3) разработать систему биоиндикации состояния территории с оценкой биоразнообразия и условий среды тестовых экосистем,.

4) создать базу данных биоразнообразия тестовых экосистем,.

5) создать базу данных типов режимов прямодействующих факторов и экологических свит,.

6) создать базу данных содержания радионуклидов по следующим показателям 1а по эталону 238+239Pu, по эталону 90Sr+90Y, 90Sr, 137Cs, 40К в биоиндикаторах типичных экосистем тестовых территории Бурятии,.

7) создать базу данных содержания химических элементов: Hg, Cd, Pb, Zn, Ag, Ni, Cu, Sr, Cr, V, Ba, As,.

8) проследить особенности радиоэкологического состояния фоновых экосистем,.

9) проследить особенности геохимической обстановки фоновых экосистем,.

10) выявить биоиндикаторы радиационной нагрузки,.

11) выявить биоиндикаторы геохимических аномалий.

Новизна работы состоит в том, что впервые на тестовые территории Бурятии созданы уникальные базы данных радиоэкологического и геохимического состояния типичных фоновых экосистем. Впервые выявлены экологические ареалы типов экосистем тестовых территорий Бурятии. Впервые выявлены биоиндикаторы радиоактивного загрязнения и геохимических аномалий на территории Бурятии. Впервые разработаны методы биоиндикации катенного типа. Теоретическая значимость работы заключается в разработке и совершенствовании методов исследования объектов геоэкологии — геокомплексов, подтверждена новыми знаниями о биотичности тяжелых металлов.

Практическое значение работы заключается в создании базы данных, не имеющих аналогов, на тестовые территории Бурятии, как эталоны природы. Базы данных содержат информацию, строго позиционированную в системе истинных географических координат, что дает возможность провести проверку и повторные исследования другими специалистами. Кроме того, базы данных предоставляют информацию для сертификации качества среды в регионе.

Работа выполнена по заказу Администрации Иволгинского района Республики Бурятии. Результаты внедрены в проекты Федеральной Программы «Безопасность населения и народнохозяйственных объектов с оценкой риска от природных и техногенных катастроф», выполненные в МосНПО «Радон» — методические разработки использованы в международном российско-китайском проекте по исследованию Цзи-линской степи в Китае.

Автор выражает глубокую благодарность за постоянную помощь в работе дирекции и коллективу МосНПО «Радон», Администрации Иволгинского района Республики Бурятии и Главе Администрации Л. П. Буркову, доктору географических наук Н. Я. Минеевой, доктору географических наук А. В. Маркелову, кандидату биологических наук А. В. Жулидову, кандидату технических наук А. С. Петрову, Д. А. Маркелову, О. Е. Полыновой, Т. Я. Зизюкиной, Д. Я. Чиркиной, В. П. Классену, сотрудникам Центра эколого-географических разработок МосНПО «Радон», кандидату географических наук Э. Ц. Дамбиеву, кандидату биологических наук В. Н. Хертуеву, кандидату географических наук Г. С. Самойловой.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В результате проведенных исследований разработана система радиоэкологической оценки природных условий территории с установлением их миграционных и сорбционных свойств и созданы базы данных типовых уровней содержания и накопления радионуклидов и тяжелых металлов в тестовых природных системах Бурятии.

Радиоэкологическая классификация геокомплексов проведена на основе оценки их сорбционно-миграционной способности по следующим показателям:

Виды миграции: 1 — выщелачивание радионуклидов (Р/Н) из горизонта, А элювиальных почв, 2 — механическая миграция Р/Н на склонах с плоскостным смывом, 3 — развевание верхнего горизонта почв и сдув снега, 4 — миграция Р/Н в органо-минеральной форме с растворенным органическим веществом (РОВ), 5 — использование вод, богатых РОВ, для дезактивации объектов, загрязненных Р/Н, 6 — солифлюк-ция, дефлюкция и другие мерзлотные процессы механического перемещения почвенного материала, загрязненого Р/Н, 7 — перемешивание пахотного горизонта почв.

Виды (сорбции) концентрации: 8 — сорбция Р/Н в горизонте, А почв, 9 — накопление почвенного мелкозема, обогащенного Р/Н в нижней части склонов (делювиальный процесс), 10 — концентрация Р/Н в краевой зоне болот, 11 — испарительная концентрация Р/Н, 12 — природные материалы ландшафта, пригодные для создания искусственных геохимических барьеров (торф, гумусовые горизонты почв, глины, коренные породы).

Виды биоаккумуляции: задерживающая или барьерная, фитофильтрующая (наличие ярусов растительного покрова), биоаккумуляция из воздуха, биоаккумуляция из почвы, длительное удерживание в метаболизме.

В Иволгинской котловине по физико-географическим параметрам выделены пять геокомплексов и два подкомплекса, характеризующиеся определенными типами рельефа, геологического строения, химизма природных вод, почв, растительности, а также природных процессов и их интенсивностью:

1 Хамар-Дабанский крутосклоновый геокомплекс с хвойно-мелколиственными лесами на горных дерново-тежных почвах,.

2 а Ганзуринский крутосклоновый геокомплекс с хвойно-мелколиственными лесами на горных дерново-таежных почвах,.

26 Ганзуринский крутосклоновый останцовый остепненный геокомплекс на маломощных каштановых каменистых почвах,.

3 Ключевской и Тапхарский пологосклоновый супесчано-песчаный сухо-степной геокомплекс на каштановых почвах,.

4а Иволгинский пологосклоновый делювиально-пролювиальный степной геокомплекс на лугово-каштановых почвах (Хамар-Дабанского влияния),.

46 Иволгинский пологосклоновый делювиально-пролювиальный степной геокомплекс на лугово-каштановых почвах (Ганзуринского влияния),.

5 Верхнеиволгинский и Мухинский низинный аллювиальный лугово-болотный геокомплекс на луговых почвах.

Природные условия, процессы и их интенсивность, высокая биомасса, троф-ность почвы и условия увлажнения определяют сорбционно-миграционные свойства геокомплексов в целом и по отношению к радионуклидам. В Иволгинской котловине выделены геокомплексы, природные условия которых способствуют максимальной аккумуляции радиоактивных веществ и их активной миграции в природных средах: это Хамар-Дабанский крутосклоновый геокомплекс с хвойно-мелколиственными лесами на горных дерново-таежных почвах и Ганзуринский крутосклоновый геокомплекс с хвойно-мелколиственными лесами на горных дерново-таежных почвах. Геокомплексы со средними показателями сорбционно-аккумуляционной способности, в частности, Иволгинский пологосклоновый делювиально-пролювиальный степной геокомплекс на лугово-каштановых почвах (Хамар-Дабанского влияния) и Верхнеиволгинский и Мухинский низинный аллювиальный лугово-болотный геокомплекс на луговых почвах. Характеризуются природными условиями, которые могут быть направлены на аккумуляцию загрязняющих радиоактивных веществ в инженерных барьерах из естественных природных материалов (торфа, гумуса, растворенного органического вещества, глин и суглинков).

Радиоэкологическая классификация природных условий позволила разработать требования и провести оптимизацию выбора тестовых территорий. Схема заложения ключевых участков представляет собой двухуровневую систему катен — ряда последовательно и закономерно сменяющихся природных комплексов. Первый уровень представляет катены ключевых участков или катены I порядка, где пробные площади были заложены с охватом выделенной катены от водораздела через склон к днищу или от днища до днища через водораздел, то есть в междуречье. Второй уровень представляет катену II порядка, где пробные площади заложены с охватом выделенной ка-тены, представленной геокомплексами Иволгинской котловины.

Система сбора, хранения, обработки и поддержки информации, предназначенная для компьютерных технологий, адаптирована для ввода информации в полевых условиях по формализованным показателям геоботанического, лесотаксационного, комплексного геоэкологического описания пробной площади Иволгинской котловины со сложными физико-географическими характеристиками.

Разработана система биоиндикации состояния территории с оценкой биоразнообразия и условий среды тестовых экосистем. Основу составляет методика фи-тоиндикации режимов прямодействующих факторов, оценку комфортности экотопов и удовлетворительности условий среды для каждого вида высших растений на основе вычисления коэффициентов. Методика разработана в Центре эколого-географических разработок МосНПО «Радон», стандартизована и используется для многих разработок. При исследовании в Иволгинской котловине система адаптирована путем ввода дополнительных сведений в справочники и базу данных.

Геоботанические описания и лесотаксационные данные каждой пробной площади с числом и обилием видов составили информационную базу данных. Созданы серии карт этих характеристик обследованных экосистем. Анализ а-разнообразия как характеристики присутствия, числа и обилия видов нижних ярусов, показал, что максимальное его величина отмечена в степной экосистеме на лугово-каштановых почвах. Лесные экосистемы характеризуются средним уровнем а-разнообразия. В степных вариантах а-разнообразие неоднородно с резкими колебаниями.

Анализ (3-разнообразия или числа и представленности различных сообществ показал, что степень разнообразия сообществ достаточно высока, в лесных экосистемах разнообразие может достигать 0,63.

Присутствие и обилие видов в каждой экосистеме определяют ее фенотип и создают фундаментальную базу данных для оценки условий среды приемами биоиндикации. Присутствие и обилие видов в тестовых экосистемах Иволгинской котловины позволили оценить условия среды по толерантности этих видов к десяти прямо-действующим факторам и установить типы их режимов и экологические свиты.

Как показывает анализ типов режимов факторов, наиболее комфортными условиями для всех видов растений характеризуются сосновые варианты экосистем на междуречье р. Халюты и р. Горячего, здесь комфортопы самые оптимальные.

Наиболее благоприятные условия индицированы по увлажнению почв и переменности увлажнения, значения комфортопов более 70%, даже достигают 90%.

Самые неблагоприятные условия индицированы для терморежима и морозности, по этим показателям до комфортных условий очень далеко, значения комфортопов не превышают в среднем 45%.

Режим богатства почв азотом средний, комфортность около 50%, а по кислотности почв комфортность значительно выше, хотя и сильно колеблется в диапазоне от от 27 до 90%.

Различие экологических свит, доминирующих в пределах геокомплексов Иволгинской котловины, позволяет сделать вывод о том, что выделенные геокомплексы четко разделяются по природным условиям, индицируемым растительными биоиндикаторами. Разница между типами режимов каждого геокомплекса в один-два балла, подтверждает репрезентативность выбранных ключевых участков, свидетельствуя о различиях экотопических условий.

Создана база данных содержания радионуклидов по следующим показателям Еа по эталону 238+239ри, Е|3 по эталону 90Sr+90Y, 90Sr, 137Cs, 40К в биоиндикаторах типичных экосистем тестовых территории Бурятии. На основе созданной базы данных прослежены особенности радиоэкологического состояния фоновых экосистем и выявлены биоиндикаторы радиационной нагрузки.

Анализ содержания радионуклидов в растениях разных жизненных форм показал возможности применения метода биоиндикации катенного типа для оценки и эст-раполяции результатов на экосистемы, сходные по природным условиям и процессам.

Детальный анализ радиоэкологического состояния по биоиндикаторам тестовых экосистем Иволгинской котловины, представляющей катену II порядка, позволил построить карты радиоэкологического состояния по каждому показателю радиоактивности почвы и биоиндикаторов.

По показателю Еа по эталону Ри уровень содержания в почве на порядок выше, чем в растениях. Физиономичный портрет радиоэкологического состояния геокомплексов по почве и биоиндикации также различается, особенно это касается центральной части котловины.

Показатель Ер по эталону 90Sr+90Y характеризует содержание бета-излучающих радионуклидов в компонентах экосистем. На картах видно, что в биоиндикаторах содержание выше, чем в почве. Почвенная индикация показывает максимальные накопительные свойства экосистем низинного комплекса, а биоиндикация — крутосклонового комплекса. on.

По показателю Sr различия несущественны.

По показателю 137Cs при более высоком содержании в биоиндикаторах тенденции пространственного распределения одинаковы.

По показателю 40К тенденции схожи с небольшими вариациями.

Интегральный показатель радиоактивности показал, что состояние геокомплексов по радиоактивности почв в котловине довольно ровное без резких флюктуа-ций, максимальной нагрузкой характеризуются геокомплексы Хамар-Дабанский крутосклоновый, Иволгинский пролювиальный Хамар-Дабанского влияния, низинный аллювиальный и Ганзуринский крутосклоновый. Открытые степные системы Иволгинского пролювиального геокомплекса Ганзуринского влияния характеризуются минимальной рдиационной нагрузкой.

Биоиндикация радиоэкологического состояния показала отличие в том, низинный комплекс и пологосклоновый супесчано-песчаный сухо-степной на каштановых почвах характеризуются минимальной нагрузкой.

Таким образом созданные базы данных типовых уровней радиоэкологических показателей тестовых экосистем Иволгинской котловины составили новый информационный фонд в общей системе сертификации качества среды, эталонирования радиоэкологического состояния и эколого-географического нормирования радиационного воздействия.

Создана база данных содержания химических элементов: Hg, Cd, Pb, Zn, Ag, Ni, Cu, Sr, Cr, V, Ba, Asпрослежены особенности геохимической обстановки фоновых экосистем и выявлены биоиндикаторы геохимических аномалий.

Биотичность элемента по Н. Ф. Глазовскому (1982,1987) определяется как отношение содержания в живом организме к кларку биосферы. С этим же показателем соспоставим и коэффициент биологического поглощения, оцениваемый как отношение содержания в растении к содержанию в почве.

Оценка накопительной способности растений по отношению к тяжелым металлам позволила проследить следующие особенности формирования биогеохимической ситуации в Иволгинской котловине.

По превышению максимальных содержаний элемента над минимальным выделяются несколько групп тяжелых металлов. В почве: первая группа превышений в 2−3 раза включает Pb, Zn, Си, Cr, V, Niвторая группа превышений в 4−5 раз включает As, Sr, Ватретья группа превышений в 6−8 раз включает Cd, Agособняком стоит резко контрастный в 41 раз Hg.

В растениях превышения значительно выше, чем в почве: так первая группа превышений в 7−9 раз включает Ni, Hg, Pb, Vвторая группа превышений в 10−20 раз включает Cd, Zn, Си, Сг, Ватретья группа превышений в 30 раз включает Agчетвертая группа превышений в 65−72 раза включает As, Sr. То есть по контрастности накопления растениями выделяются Ag, As, Sr что индицирует наличие природных аномалий этих элементов в геокомплексах: серебра, мышьяка, стронция.

Максимальной зональной биотичностью по Н. Ф. Глазовскому (1987), характеризуется барий — 1,4, затем стронций -0,6, далее серебро -0,42. Для Иволгинской котловины выявлен следующий ряд биотичности тяжелых металлов: серебро -2,3, стронций — 1,8, цинк — 1,5, свинец -0,64, медь -0,271, барий -0,258. Мышьяк и ртуть не охарактеризованы показателем биотичности в зональном аспекте, поэтому они не вошли в составленный ряд. Более высокая провинциальная биотичность по сравнению с зональной у таких элементов, как серебро (почти в 6 раз), стронций (в 3 раза), индицирует наличие природных аномалий этих элементов в геокомплексах.

Таким образом, биоиндикация геохимической обстановки в геокомплексах Иволгинской котловины позволила выявить виды накопители тяжелых металлов, на основании коэффициентов накопления установить ряды биотичности и констатировать наличие природных аномалий тяжелых металлов.

Выявленные ряды совпадений зональной и провинциальной биотичности тяжелых металлов подтвердили действие закона географической зональности, правильность методики исследования, репрезентативность заложенных пробных площадей и создали базис для экстраполяции результатов.