Радиационная биология. Радиоэкология, 2022, T. 62, № 2, стр. 185-195

Исходные данные

Для оценки динамики снижения коэффициентов перехода ¹³⁷Cs в кормовые растения и зерно в сельскохозяйственной продукции были использованы данные радиационного мониторинга, проводимого в юго-западных районах Брянской области центром Агрохимрадиологии “Брянский” [13]. В рамках этого мониторинга отбираются основные виды кормов, производимых в хозяйствах, т.е. сено, сенаж, силос, зеленная масса и зерно (концентраты).

Общее количество данных, использованных для оценки снижения концентраций ¹³⁷Cs в отдельных видах кормов, приведено в табл. 1. Данные радиологического мониторинга обобщались на уровне отдельных хозяйств и районов: Гордеевского, Клинцовского, Красногорского, Новозыбковского и Злынковского. Таким образом, данные, представленные в табл. 1, были получены в 2008–2020 гг. для пяти наиболее загрязненных районов Брянской области. Исходная информация для оценки коэффициентов перехода содержала более 25 тыс. значений концентрации ¹³⁷Cs в кормах и зерне.

Данные радиологического мониторинга содержания ¹³⁷Cs в кормах представляют следующую информацию: объем обследуемой продукции в тоннах, число отобранных проб, объемы и процент проб с превышением нормативов, среднее, минимальное и максимальное значение, рассчитанные для каждого хозяйства и вида продукции. Полученные данные были обобщены как на уровне районов, так и отдельных хозяйств, что позволяет получить оценки при различной агрегации данных.

Данные, представленные в табл. 1, отражают результаты систематического отбора проб, проведенного в 76 хозяйствах с плотностью загрязнения сельскохозяйственных угодий от 29 до 1394 кБк/м². Данные представлены в соответствии с особенностями их потребления животными: так результаты для зерна и сена даны на воздушно-сухой вес, а данные для сенажа, силоса и зеленой массы приводятся на влажный вес.

При оценке коэффициентов перехода учитывались данные последнего обследования сельскохозяйственных предприятий, выполненного центром Агрохимрадиология “Брянский” в 2016–2018 гг. При расчете К_п в качестве отдельных значений рассматривались средние значения загрязнения каждого из угодий, используемых в этом хозяйстве для производства кормов, т.е. сенокосов, пастбищ и пашни.

Используемые параметры

Одним из основных параметров, используемых для количественной оценки интенсивности перехода радионуклидов из почвы в растения, является коэффициент перехода радионуклида из почвы в растительность ((Бк/кг)/(кБк/м²)). Обычно К_п выражают как отношение концентрации радионуклида в растениях (измеренное на сухой или влажный вес) к плотности загрязнения почвы, отобранной в этой же точке. В то же время возможным вариантом является оценка агрегированных параметров, т.е. коэффициентов перехода, характеризующих накопление радионуклидов в рамках определенной пространственной единицы. Поскольку в качестве пунктов мониторинга рассматривались хозяйства, для целей настоящей работы коэффициенты перехода рассматривались как:

где $Q_{\gamma }^{j}$ – среднее значение концентрации ¹³⁷Cs в j виде кормов, производимом в хозяйстве (Бк/кг), а $A_{s}^{j}$ – средняя по хозяйству плотность загрязнения угодий, использующихся для производства j вида кормов (кБк/м²). При этом предполагалось, что пашня используется для производства зерна (концентратов) и кукурузного силоса, сенокосы – для производства сенажа и сена, а пастбища – для выращивания зеленых кормов.

Для анализа динамики снижения концентрации ¹³⁷Cs в растениях использовался подход, основанный на оценке периодов полуснижения. Поскольку перенос радионуклидов в окружающей среде контролируется экологическими факторами, такого рода параметры обычно называют экологическими полупериодами – Т_e. По определению, Т_e равен времени, в течение которого содержание радионуклидов в выделенных компонентах трофической цепи под влиянием всех факторов (за исключением радиоактивного распада) изменяется в 2 раза. Для аппроксимации данных мониторинга в настоящей работе в большинстве случаев использовалась формула:

где t_k – время начала наблюдений (лет), t – текущее время.

В случае, когда снижение K_п в корма определяется несколькими факторами, возможно использование двухкомпонентной модели и двух периодов полуснижения – $T_{e}^{1}$ и $T_{e}^{2}$. Такой подход позволяет получить более адекватное описание динамики этих процессов на протяжении длительного времени [7]. Обычно различают эффективные (учитывающие радиоактивный распад) и экологические (не учитывающие радиоактивный распад) периоды полуснижения, однако в случае коэффициентов перехода они одинаковы, поскольку радиоактивный распад учитывается как в числителе, так и в знаменателе уравнения (2).

Анализ данных

Для обработки информации использовались статистические методы, предложенные в работе [14]. К каждой выборке (т.е. комбинации вид продукции/год) применялся критерий для отбраковки данных. К малым выборкам (менее 25 значений) применяли критерий Диксона, а к более крупным – применяли стандартные статистические критерии [15]. После отбраковки данных определяли параметры распределения. Таким образом создавался набор средних значений для каждой комбинации вид продукции/год. Экологические периоды полуснижения K_п рассчитывали с помощью стандартных методов линейной регрессии [16].

Реабилитационные мероприятия

Как отмечено выше, при оценке данных по динамике коэффициентов перехода важно учитывать влияние защитных мероприятий. В рамках ФЦП “Сохранение и восстановление плодородия почв земель сельскохозяйственного назначения и агроландшафтов как национального достояния России” в юго-западных районах Брянской области проводились работы по реабилитации загрязненных территорий (табл. 2) [2].

Проведение этих мероприятий сказалось на снижении загрязнения кормов и, как следствие, на динамике коэффициентов перехода из почвы в растительность. Оценка влияния проводимых реабилитационных мероприятий на величины К_п и динамику их изменения в отдаленный период после аварии на Чернобыльской АЭС также являлось одной из задач этой статьи.

Динамика снижения K_п в ¹³⁷Cs в корма: обобщенные данные

Данные, отражающие динамику изменения K_п с 2008 по 2020 г., приведены на рис. 1. Видно, что за период наблюдений K_п уменьшились от 3 до 10 раз. Отметим, что данные, приведенные на рис. 1, сгруппированы по видам кормов и являются обобщенными данными для юго-западных районов Брянской области, наиболее пострадавших после аварии на ЧАЭС. Такой подход позволяет получить оценку периодов K_п в корма на максимально большом статистическом материале, хотя и не всегда допускает оценку роли факторов, определяющих это снижение.

Динамика снижения коэффициентов перехода ¹³⁷Cs в корма в 2008–2020 гг. зависела как от особенностей возделывания кормов, так и от проводимых реабилитационных мероприятий. Наиболее значительным снижение K_п было для зеленых кормов. Менее существенное уменьшение K_п в рассматриваемый период отмечалось для сена и сенажа, и наиболее медленно снижение ¹³⁷Cs в корма отмечалось для силоса и зерна.

Отмеченные различия могут быть связаны с разным распределением ¹³⁷Cs в почвах, на которых производились эти корма. Так, на пахотных угодьях, на которых выращивается зерно и кукуруза на силос, радионуклиды распределены в пахотном слое (0–20 см) равномерно, на обрабатываемых сенокосах, на которых выращиваются травы на сено или сенаж, радионуклиды распределены в слое 0–10 см (на глубину обработки). Для производства зеленых кормов часто используются необрабатываемые пастбища и заливные луга, где ¹³⁷Cs содержится главным образом в верхнем слое 5 см. Соответственно выщелачивание радионуклидов из корнеобитаемого слоя протекает с разной скоростью, внося различный вклад в снижение содержания ¹³⁷Cs в почве в форме, доступной для корневого усвоения.

Периоды полуснижения коэффициентов перехода в рассматриваемые виды кормов, рассчитанные на основе выражения (2), приведены в табл. 3. При анализе этих данных необходимо отметить, что динамика коэффициентов перехода в сено и сенаж довольно близка. Коффициент корреляции между концентрациями ¹³⁷Cs в этих видах продукции в рассматриваемый период равен 0.79. По-видимому, это обясняется тем, что при приготовлении сена и сенажа использовались травы с одних и тех же или близких по качеству кормовых угодий.

Представленные данные показывают, что снижение коэффициентов перехода достаточно хорошо описывается однокомпонентной моделью: коэффициенты детерминации варьируют от 0.65 до 0.87. В то же время применение двухкомпонентной модели в некоторых случаях позволяет существенно повысить качество аппроксимации. Так, применение двухкомпонентной модели для описания коэффициентов перехода в зеленые корма (рис. 2) позволяет увеличить значимость регрессии (R²) до 0.98.

Возможным объяснением динамики коэффициентов перехода в зеленые корма является то, что первый период полуснижения соответствует периоду времени, непосредственно следующим за проведенными мероприятиями, тогда как второй период (15.4 года) соответствует естественному снижению K_п. В пользу такого вывода свидетельствует значение второго периода полуснижения, которое близко к значению периода полуснижения для сена (15.8 года).

Анализ данных рис. 1 позволяет сделать вывод, что коэффициенты перехода ¹³⁷Сs в кормовые растения имеют достоверную тенденцию к снижению (R² > 0.9). Представленные данные находятся в достаточно хорошем соответствии с оценками, полученными на основе наблюдений за глобальными выпадениями (периоды полуснижения коэффициентов перехода равны 8–15 годам в среднем для всех видов растений) [5] и оценками вторых периодов полуснижения, полученными после аварии на Чернобыльской АЭС [1].

Для получения соотношений между коэффициентами перехода в различные виды кормов имеющиеся данные были объединены, и отношения были рассчитаны отдельно для каждого года и каждого вида кормов. Нормируя средние значения K_п на соответствующее значение для сена, корма можно расположить в следующий ряд по возрастанию коэффициентов перехода: зерно (концентраты) (0.27 ± 0.04) ≈ сенаж (0.23 ± 0.06) < < силос (0.37 ± 0.05) < зеленая масса (0.6 ± 0.08) < < сено (1.0).

Динамика снижения коэффициентов перехода ¹³⁷Cs в корма: данные, сгруппированные по районам и хозяйствам

Данные, приведенные на рис. 1 и в табл. 3, представляют информацию, усредненную по пяти наиболее загрязненным юго-западным районам Брянской области, и не позволяют оценить локальные закономерности, характерные для каждого района. Вследствие этого периоды полуснижения были рассчитаны отдельно для каждого района и хозяйства, находящихся в зоне загрязнения (табл. 4).

Видно, что в большинстве случаев значения периодов полуснижения, рассчитанные на основе всех данных (табл. 3), соответствуют диапазонам значений, рассчитанных для отдельных районов (табл. 4). Средние значения K_п(0) – параметра модели в уравнении (2), рассчитанные на основе всех данных и данных для отдельных районов, также достаточно близки. В то же время отмечаются достаточно существенные отличия между районами.

Эти отличия связаны как почвенными характеристиками используемых земель, так и объемами мероприятий, проводимых в период до 2008 г. По величине K_п(0) районы можно представить в виде следующего ряда: Гордеевский > Злынковский > Новозыбковский ≥ Клинцовский ≥ Красногорский. На основе этих данных можно ожидать, что более масштабные меры применялись до 2008 г. в Клинцовском, Красногорском и Новозыбковском районах и в значительно меньшем объеме они проводились в Гордеевском и Злынковском районах: K_п ((Бк/кг)/(кБк/м²)), тогда как в Клинцовском и Новозыбковском они равны 0.33 и 0.43 ((Бк/кг)/(кБк/м²)) (табл. 4).

Аналогичные закономерности отмечаются и для других видов кормов: в Клинцовском и Новозыбковском районах K_п(0) в силос оценены как 0.13 и 0.15 ((Бк/кг)/(кБк/м²)), тогда как в Гордеевском и Злынковском районах средние значения этого параметра существенно выше и равны 0.38 и 0.27 ((Бк/кг)/(кБк/м²)) (табл. 4). Это могло существенно отразиться на динамике изменения коэффициентов перехода после 2008 г., поскольку после прекращения и снижения объемов применения мероприятий возможен рост коэффициентов перехода, который компенсирует их естественное снижение или даже может привести к их росту на протяжении определенного периода.

Параметры снижения K_п в корма отдельних райнов также сильно варьируют. Следует выделить данные, относящиеся к Красногорскому району, где отмечалась тенденция к росту коэффициентов перехода практически во все виды кормов. Отметим, что эта тенденция сохраняется на уровне отдельных хозяйств (рис. 3).

В то же время для некоторых районов отмечено более быстрое снижение коэффициентов перехода в корма по сравнию со снижением K_п, которые усреднены для всей зоны загрязнения (рис. 1). В качестве примера на рис. 3 (а) показана динамика K_п в сено в Красногорском районе, тогда как на рис. 3 (б) приводятся данные о коэффициентах перехода ¹³⁷Cs в сено Гордеевского района. Изменения K_п¹³⁷Cs в сено в типичных хозяйствах характеризуются такой же динамикой и полностью коррелируют с динамикой изменения K_п на уровне районов.

Изменение K_п¹³⁷Cs в другие виды кормов практически полностью соответствует закономерностям, отмеченным для сена, повышая надежность этого вывода. При этом следует отметить, что K_п¹³⁷Cs в сено Красногорского района в 2008 г. были очень низки и были ниже, чем наблюдаемые для других районов. Тренды снижения K_п¹³⁷Cs в кормах других районов отличаются от динамики изменения K_п¹³⁷Cs в кормах Красногорского района и характеризуются постоянным снижением. Отметим, что периоды полуснижения K_п¹³⁷Cs в корма в большинстве случаев меньше периодов, расчитанных на основе данных для юго-западных районов в целом.

На основании этого анализа можно сделать вывод, что несмотря на то, что динамика изменения коэфициентов перехода на уровне отдельных пунктов наблюдения (хозяйств) сильно варьирует, параметры снижения, обобщенные для достаточно больших регионов, соответствуют экспоненциальному снижению. При этом, чем больше территории, для которых проводилось обобщение данных, тем это соответствие выше.

Снижение ¹³⁷Cs в корма в зонах с различной плотностью выпадений

Учитывая различия в объемах проведения реабилитационных мероприятий в хозяйствах с различными уровнями загрязнения, показатели, относящиеся к хозяйствам с разными уровнями загрязнения, были разделены на две группы – данные, полученные в хозяйствах со средними уровнями загрязнения больше 185 кБк/м², и данные по хозяйствам с плотностями загрязнения меньше 185 кБк/м² (рис. 4, табл. 5).

Из данных рисунка видно, что коэффициенты перехода ¹³⁷Cs в сено, сенаж и зеленые корма, производимые в зоне с плотностью загрязнения менее 185 кБк/м² (5 Ки/км²) в 2–3 раза больше, по сравнению с K_п, рассчитанному для зоны с плотностью загрязнения по ¹³⁷Cs более этой величины.

Поскольку данные для зерна и силоса в период с 2008 по 2012 г. не показывали тенденцию к снижению, Т_е были рассчитаны для промежутка 2013–2020 гг., когда влияние мероприятий было существенно меньше по сравнению с периодом времени с 2008 по 2013 г., когда проводились мероприятия в рамках Федеральной целевой программы по преодолению последствий аварии на Чернобыльской АЭС.

Основным отличием между сельскохозяйственными угодьями, относящимися к этим зонам загрязнения, было проведение защитных и реабилитационных мероприятий. Так, в зоне с плотностью загрязнения ¹³⁷Cs менее 185 кБк/м² агротехнические и агрохимические мероприятия в растениеводстве ведутся без ограничений по принятым для данной почвенно-климатической зоны технологиям [1].

Минеральные и органические удобрения вносят в дозах, обеспечивающих наиболее высокие прибавки урожая. При более высоких уровнях загрязнения проводятся защитные и реабилитационные мероприятия, включая коренное улучшение с применением известковых мелиорантов из расчета 1.5–2.0 дозы по гидролитической кислотности и ежегодным внесением повышенных в 1.5 раза доз фосфорных и калийных удобрений, а также применение повышенных доз фосфорных и калийных удобрений на пашне [1, 2, 5, 13].

Из представленных данных видно, что эффективность мероприятий на лугах и пастбищах, отношение K_п в сено и зеленые корма в хозяйствах с плотностью загрязнению по ¹³⁷Cs менее 185 кБк/м² к коэффициентам перехода в хозяйствах с плотностью загрязнения по ¹³⁷Cs более 185 кБк/м² составляло 2.1–2.3 раза. Для пашни эта величина составила 1.4–1.6 раза. Это хорошо согласуется с общими данными об эффективности реабилитационных мероприятий в сельском хозяйстве. В период с 2010 по 2012 г. отмечался определенный рост концентраций ¹³⁷Cs в зерне и кукурузе на силос. За этот период концентрации ¹³⁷Cs в этих видах продукции увеличились до 30%. Рост K_п в зерно и кукурузу можно объяснить снижением объемов проведения защитных мероприятий. В определенной степени это отмечалось для сена и сенажа (рис. 1 и рис. 3), и только для зеленых кормов наблюдалось устойчивое снижение уровней загрязнения на всем рассматриваемом промежутке времени.