Scientific journal
Advances in current natural sciences
ISSN 1681-7494
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,791

RESULTS OF SOIL STUDY CESIUM-137 IN THE SOILS OF URBAN AGGLOMERATIONS OF ARKHANGELSK, SEVERODVINSK AND NOVODVINSK

Bazhenov A.V. 1 Kryauchyunas V.V. 1 Iglovskiy S.A. 1
1 N. Laverov Federal Center for Integrated Arctic Research Russian Academy of Sciences
The AMAP published the reports on the main levels of radioactive contamination of the Northern Hemisphere circumpolar region. It is important that the accumulation of radioactivity occurs at the contact between the continent and the ocean. The characteristic feature is the accumulation of technogenic radioactivity at the remote from the pole continent-ocean boundary. The surface of the Arctic zone has a high degree of self-purification from radioactive fallout. Contamination of its surface 137Cs varies from 1000 to 2500 Bq / m2. The Arkhangelsk region is also among the polluted areas. The areas with the highest level of pollution are the Norwegian and Canadian shores, the British Islands and the South of Alaska. This work presents the results of a study of technogenic 137Cs in soils of the suburbs of urban agglomerations in Arkhangelsk, Severodvinsk and Novodvinsk. It was found that the maximum concentrations of 137Cs are observed in the upper organic horizons regardless of the type of soil. Illuvial horizons and soil forming rocks do not accumulate technogenic 137Cs. From all types of soils prevailing in the suburbs of the cities of Arkhangelsk, Severodvinsk and Novodvinsk the highest concentration of 137Cs is typical to podzolic and peat bog soils where 137Cs mingles with organic substances and loses its mobility. Floodplain soils do not accumulate technogenic radioactivity due to the high rate of self-purification as a result of vertical and horizontal migration under the influence of natural and anthropogenic factors. The geomorphological structure of the terrain has a significant influence on the spatial distribution of 137Cs. By the degree of decrease of 137Cs activity in the soils’ profiles laid on different types of relief we could build a chain: bogs – morain hills and their slopes – Northern Dvina river floodplain.
cesium-137
technogenic radioactivity
soils
Arkhangelsk
Severodvinsk
Novodvinsk

В материалах AMAP в 2010 г. [1] представлены уровни радиоактивного загрязнения арктической зоны Северного полушария. На рис. 1 представлена карта распределения суммарной активности 137Cs в этом районе. Такое распределение радиоактивности возникло в результате многолетних выпадений от различных видов источников. Важно, что накопление радиоактивности происходит на контакте материк – океан. В Арктике накопление техногенных изотопов на суше значительно снижается.

bag1.tif

1 2

Рис. 1. Пространственное распределение 137Cs: 1 – на поверхности арктической зоны (Бк/м2) [1], 2 – в почвах Архангельского региона и соседних территорий 137Cs (Бк/кг) [2]

Карта (рис. 1.1) показывает, что поверхность арктической зоны имеет высокую степень самоочищения от радиоактивных выпадений. Загрязнение ее поверхности 137Cs варьирует от 1000 до 2500 Бк/м2. Территории с максимальным уровнем загрязнения – это норвежские и канадские берега, Британские о-ва и юг Аляски. Архангельскую область (рис. 1.2) можно считать территорией со слабым уровнем загрязнения техногенной радиоактивностью [1]. В материалах АМАР 2015 [2] приводится схема загрязнения 137Cs почв Архангельской области. Высокий уровень загрязнения имеет территория Финляндии (до 10000 Бк/кг). Авторы указывают на происхождение радиоактивного загрязнения этой территории от Чернобыльской аварии.

Материалы и методы исследования

В результате экспедиционных работ в окрестностях г. Архангельска, Северодвинска и Новодвинска в период с 2005 по 2015 гг. было опробовано 240 точек, из них отобрано 722 почвенных образца (рис. 2). Техногенная радиоактивность проб определялась по методу геометрии Маринелли (1 л) на гамма-спектрометре «ПРОГРЕСС – 2000». Погрешность при таких измерениях 137Cs составила от 10 до 30 % [3].

bag2.tif

• – точки отбора проб

Рис. 2. Схема опробования почв окрестностей г. Архангельска, Северодвинска и Новодвинска [3]

Результаты исследования и их обсуждение

В подзолистых, дерново-подзолистых и болотных почвах максимальные значения активности 137Сs были определены нами в лесной подстилке. Горизонт Ао – 385,6 Бк/кг – разрез М-1 (дер. Лапоминка). Почва – подзолистая, суглинистая, отобрана в средней части полого-волнистого склона. Хвойный лес с примесью березы и ольхи. Напочвенный покров: хвойный и лиственный опад, папоротник Линника, редкие кусты брусники, мышиный горошек. Горизонт Ао – 375,6 Бк/кг – разрез С-7 (г. Северодвинск, болото Масляный мох, 1,5 км от Белого моря). Почва – торфяная, отобрана на верховом болоте (осушенном под строительство дачного кооператива), сформировавшемся на аллювиальных морских отложениях.

В гумусовом горизонте (АоА1, А1, А1т): горизонт АоА1 – 263,3 Бк/кг – разрез ВЛ-5 (5 км от дороги М8 на п. Васьково). Почва – подзолистая, суглинистая, отобрана на вершине моренного холма. Сосновый лес с примесью березы, осины и рябины. В напочвенном покрове черника, можжевельник, зеленомошник. Горизонт А1 – 138,4 Бк/кг – разрез ВЛ-9 (1,5 км от дороги М8, в сторону п. Васьково). Почва дерново-подзолистая, суглинистая, отобрана в средней части пологого склона моренного холма. Горизонт А1т – 154,8 Бк/кг – разрез АС-6 (5 км трассы М8). Торфянистая почва, отобрана в пределах аллювиально-морской равнины в низменном сосновом лесу с примесью березы на границе с болотом. В надпочвенном покрове доминирует хвойный и лиственный опад, черника, брусника. В подзолистом горизонте (А2) – 15,42 Бк/кг – разрез АЛ-1 (16 км железной дороги Исакогорка – Северодвинск). Почва дерново-подзолистая, супесчаная, на суглинках, отобрана на вершине моренного холма. Смешанный лес (ель, береза, осина). Напочвенный покров – лиственный и хвойный опад, лесное разнотравье. Для иллювиального горизонта в подзолистых и дерново-подзолистых почвах активность 137Сs не превышает 3,4 Бк/кг, а в почвообразующей породе – 3,1 Бк/кг.

В торфяных горизонтах отмечены более высокие значения в горизонте Т1: 38,93 Бк/кг – разрез Лая-6, верховое болото в районе д. Рикасиха, 111,6 Бк/кг – разрез С-20 верховое болото в районе Кудьмозера, 40,9 Бк/кг – разрез С-24 верховое болото, оз. Кудьмозеро. В горизонте Т2 – 24,07 Бк/кг – разрез С-7, г. Северодвинск, болото Масляный мох.

В дерновых и пахотных почвах активность 137Cs в верхнем горизонте Ад изменяется в пределах от 5,8 до 53,65 Бк/кг (в лесной луговой почве, в среднем течении р. Лая, на бровке надпойменной террасы, в гумусовом горизонте А1 – от 2,1 до 29,13 Бк/кг, в иллювиальном горизонте активность достигает лишь от 5,3 до 7,5 Бк/кг.

Среди типов почв, преобладающих в данном районе, можно выделить подзолистые, дерново-подзолистые, болотные, дерновые, пахотные [4]. На рис. 3 демонстрируется полученные средние значения активности 137Cs для упомянутых почв по генетическим горизонтам. Из рис. 3 видно, что накопление 137Cs происходит в гумусовом горизонте. Средняя его активность изменяется от 122 Бк/кг в подзолистых почвах, до 67,4 Бк/кг в дерново-подзолистых почвах и до 121,7 Бк/кг в болотных почвах.

bag3.tif

Рис. 3. Изменения средних значений активности 137Сs (Бк/кг) в почвах окрестностей г. Архангельска, Северодвинска и Новодвинска: 1 – лесная подстилка (дернина в дерновых почвах), 2 – гумусовый горизонт (оторфованный гумусовый горизонт в болотных почвах), 3 – подзолистый горизонт (в дерновых и пахотных – иллювиальный, в болотных – Т1), 4 – иллювиальный горизонт (в болотных – Т2)

Подстилка до сих пор сохраняет повышенные значения 137Cs, но только относительно минеральной части почвы. В дерновых и пахотных почвах отмечена самая низкая активность 137Cs. Средние значения составляют 16,9 Бк/кг для дернины и 9,8 Бк/кг – для гумусового горизонта. Отмечаются повышенные средние значения в торфяном горизонте Т1 (50,4 Бк/кг), который располагается непосредственно под оторфованным гумусовым горизонтом.

Проведен анализ распределения 137Cs в органической части почвы и подзолистом горизонте, по выделенным в период экспедиционных работ районам. Полученные результаты демонстрируются на рис. 4. Отобранные почвы в данных районах сформировались под влиянием как техногенных факторов (выбросов в атмосферу заводов ВПК и ЦБК, осушения болот, вырубок, сельскохозяйственных работ и т.п.), так и при воздействии на них форм рельефа, типов ландшафтов, циркуляции атмосферы, осадков, типа биоценоза и т.п.

bag4.tif

Рис. 4. Средние значения активности 137Cs (Бк/кг) в верхних горизонтах подзолистых почв районов экспедиционных работ: А – окрестности г. Архангельска, С – окрестности г. Северодвинска, Н – окрестности г. Новодвинска, КВ – район Катунино – Васьково: 1 – лесная подстилка, 2 – гумусовый горизонт, 3 – подзолистый горизонт

Повышенные средние значения 137Cs в подстилке и гумусовом горизонте выделены в окрестностях г. Архангельска и Северодвинска. Средние значения активности 137Cs для окрестностей Архангельска составляют: для подстилки – 138,9 Бк/кг, для гумусового горизонта – 154,4 Бк/кг, в районе г. Северодвинска: для подстилки – 138,8 Бк/кг, для гумусового горизонта – 139,6 Бк/кг.

Для г. Новодвинска средняя активность 137Cs составляет: в подстилке – 68 Бк/кг, в гумусовом горизонте – 77 Бк/кг. В районе п. Катунино – п. Васьково: в подстилке – 61,5 Бк/кг, в гумусовом горизонте – 120,9 Бк/кг. Здесь также наблюдается перемещение центра активности 137Cs в гумусовый горизонт. В подзолистом горизонте активность 137Cs снижается на порядок.

Авторами получены данные по распределению активности 137Cs в горизонтах почв в наиболее типичных ландшафтах, слагающих исследуемую территорию, и в болотах (рис. 5). В ходе работ нами были выделены возвышенные участки (микрохолмы и их склоны), не подверженные воздействию паводковых вод, пойменные участки устьевой части р. Северная Двина и впадающих в нее рек и болота, как район со специфическими условиями, отличающимися от возвышенных участков и низменных (поймы р. Северная Двина).

bag5.tif

Рис. 5. Изменения средних значений активности 137Cs в почвах окрестностей г. Архангельска, Северодвинска и Новодвинска: 1 – лесная подстилка (дернина в дерновых почвах), 2 – гумусовый горизонт (оторфованный гумусовый горизонт в болотных почвах), 3 – подзолистый горизонт (в дерновых и пахотных – иллювиальный, в болотных – Т1), 4 – иллювиальный горизонт (в болотных – Т2)

Генетические горизонты почв речных пойм устьевой части р. Северная Двина не накапливают радиоактивного 137Cs. Активность 137Cs здесь в органической части почвы изменяется от 3,3 до 15,2 Бк/кг [5].

На микрохолмах и их склонах и болотистых территориях происходит перемещение 137Cs в гумусовый горизонт, где получены его максимальные значения. На болотах наблюдается увеличение активности 137Cs в первом торфяном горизонте (Т1).

Результаты показывают, что наиболее интенсивно 137Cs мигрирует с верхних горизонтов почвы в гумусовый горизонт. Особенно это заметно на вершинах моренных микрохолмов в зоне развития подзолистых почв. Для дерново-подзолистых почв интенсивное перемещение 137Cs наблюдается, как на поверхности, так и на полого-волнистых склонах. На болотах повышенные значения 137Cs в оторфованном гумусовом горизонте получены на открытых участках.

Выводы

1. Наибольшие концентрации 137Cs наблюдаются в верхних органических горизонтах, независимо от типа почвы. Это связано с тем, что лесная подстилка или дернина в пойменных почвах, очес в болотных почвах – первый мощный естественный барьер на пути вертикальной миграции 137Cs, в гумусовом горизонте 137Cs сорбируется соединениями гуминовых и фульвокислот. Иллювиальные горизонты и почвообразующие породы не накапливают техногенного 137Cs.

2. Из всех типов почв, преобладающих в окрестностях г. Архангельска, Северодвинска и Новодвинска, самое высокое содержание 137Cs по почвенному профилю характерно для подзолистых и торфяно-болотных почв, где 137Cs связывается с органическими веществами и теряет свою подвижность. Пойменные почвы не накапливают техногенной радиоактивности, что обусловлено высокой скоростью самоочищения, в результате вертикальной и горизонтальной миграции, под воздействием природных и антропогенных факторов (затопление во время паводков, с/х деятельность).

3. Геоморфологическое строение местности оказывает существенное влияние на распределение 137Cs в пространстве. По степени уменьшения активности 137Cs, в почвах, отобранных на различных видах рельефа, можно выделить следующую последовательность: болота – моренные холмы со склонами – пойма р. Северной Двины.

Работа выполнена при финансовой поддержке ФАНО (проект № АААА-А16-116052710105-1) и УрО РАН (проект № 18-5-5-26).