Радіобіологія фул вершин (передмовалесс, вступлесс етс. едишн)

370

залежить насамперед від рухливості (розчинності) радіонуклідів, що визначається їх фізико-хімічною природою, агрохімічними властивостями ґрунтів, а також біологічними особливостями рослин та умовами їх вирощування. Ми розглянули особливості накопичення найважливіших радіонуклідів —137Cs і 90Sr. Інші радіонукліди надходять у рослини в невеликій кількості через значну сорбцію в ґрунтах. За здатністю засвоюватися рослинами радіонукліди можна розмістити в такій послідовності: 90-Sr > 131І >140Ва >137Cs >106Ru >144Се

сільськогосподарську культуру. Активність радіонуклідів, що первинно випали на територію (у розрахунку на 1 км2 площі) позначимо А0. За питомої активності радіонуклідів у ґрунті С0, Бк(Кі)/кг, урожаї біомаси з одиниці площі В, кг/км2, і коефіцієнті переходу з ґрунту в рослини К0 (Бк(Кі)/кг біомаси на Бк(Кі)/кг ґрунту), загальна частка виносу радіонуклідів із врожаєм за перший вегетаційний період Ав становить:

AB K0C0 B0 / A0 (12.14)

У цій формулі (12.14) потрібно врахувати розпад радіонуклідів (r) за період вегетації — Т, коефіцієнт для врахування ймовірності стоку радіонуклідів з орного горизонту внаслідок вітрового перенесення -a, й коефіцієнт стоку радіонуклідів із поверхневими водами і/чи дифузії в некоренезаселений шар ґрунту -b:

AB K0C0 B0 / abA0 e rT (12.15)

Тоді коефіцієнт радіоємності поля (Fn), що відбиває частку активюсті радіонуклідів, яка залишається у ґрунті, становитиме:

FП 1 AB (12.16)

Винос радіонуклідів із наступним урожаєм біомаси рослин на цьому полі, а також чинник його радіоємності внаслідок виносу можна оцінити за формулами:

371

Загальний винос радіонуклідів з урожаєм через п вегетаційних періодів і відповідний чинник радіоємності цього поля становитимуть:

Із рівнянь (12.16) і (12.17) видно, що знаменник у формулах для частки виносу радіонуклідів із врожаєм поступово зменшується. За всіх інших однакових умов чинник радіоємності агроекосистеми згодом зростає, а загальна активність радіонуклідів у врожаї різко знижується. Розглянемо ситуацію з формуванням чинника радіоємності посіву в умовах поливного землеробства. Радіоактивність такого посіву чи природної поливної луки визначається чинником радіоємності і виносом радіонуклідів з урожаєм із ґрунту, а також властивостями поливної води. Відомо, що деякі культури рослин, особливо овочів, мають дуже високі значення коефіцієнтів переходу радіонуклідів від поливної води до біомаси рослин позакореневим шляхом. При цьому коефіцієнти переходу поливна вода — біомаса рослин досягають 10 і більше. У такому випадку в чисельник формул (12.17) і (12.18) слід додати член, зумовлений поливом:

де -Ав.п -активність радіонуклідів у врожаї при поливі, Бк(Кі); Кв — коефіцієнт переходу поливна вода — біомаса рослин (Бк(Кі)/кг біомаси на Бк(Кі)/л поливної води); Св — об'ємна активність радіонуклідів у поливній воді (Бк(Кі)/л); V — об'єм поливної води за вегетацію, л. Формула (12.19) засвідчує провідну роль поливного компонента у формуванні виносу радіонуклідів і радіоактивності посіву. Ґрунтуючись на формулі (12.19), можна обчислити рівень радіоактивності посіву в умовах тривалого багаторічного поливу, а також розрахувати винос радіонуклідів і радіоємність сільськогосподарських угідь великого регіону (наприклад, України в цілому). Така радіоємність може бути оцінена, як сума радіоємностей для окремих культур на різних ґрунтах у різних районах регіону за різних рівнів радіонуклідного забруднення і врожаїв з урахуванням можливого зрошення.

У цьому розділі було розглянуто єдиний підхід до екосистем різного типу, що ґрунтується на уявленні про їхню радіоємність. Йдеться про те, що саме поняття «екосистема» охоплює відтворення її складових живих компонентів (біопродуктивність) і підтримання якості середо вища їх проживання (кондиціювання). У разі радіонуклідного забруднення, виконання цих функцій призводить до накопичення і

372

перерозподілу радіонуклідів у екосистемі та її елементах, що й зумовлює її радіоємпість, а згодом до їх захоронювання в ґрунті чи донних відкладеннях. Отже, те, що радіоємпість є природною властивістю екосистеми, очевидно. Розглянуті вище показники й чинник радіоємності є зручними, універсальними й відбивають основні властивості екосистем.

Використовуваний математичний апарат стаціонарних і динамічних моделей досить простий і придатний для екосистем будь-якої складності. Цей підхід дає змогу отримати важливі прогностичні оцінки якості та стану екосистем і має високу евристичність.

12.5. Радіоекологія та радіоемність лісової екосистеми.

Інтерес радіоекологіє до лісу пояснюється тим, що він є своєрідним природним комплексом і здатний довго й міцно утримувати радіонукліди, які потрапили до нього, запобігаючи їх виносу за межі забрудненої території. Ліс може впливати на міграцію радіонуклідів у глобальному масштабі. Проте ліс, особливо хвойний, дуже чутливий до впливу йонізуючого випромінювання.Своєрідні властивості лісу починають виявлятися вже з перших моментів осадження радіонуклідів з атмосфери на лісовий масив. Для характеристики затримувальної здатності лісу використовують такий показник, як

коефіцієнт затримування:

де А - поверхнева активність радіонуклідів, що випали на одиницю площі лісу, Бк/км2 (Кі/км2); В-поверхнева активність затриманих у кронах дерев радіонуклідів на тій самій одиниці площі лісу, Бк/км (Кі/км2). Коефіцієнт затримування при осадженні на ліс атмосферної домішки радіонуклідів варіює в широкому діапазоні значень залежно від типу і віку насаджень, сезону, метеорологічних умов під час випадання і фізико-хімічних форм радіонуклідів, що осідають на ліс. Так, у зимовий період випадання радіонуклідів К3 листяного лісу в 5 разів менше,ніж у весняно-літній період, через опадання листя.

У разі горизонтального вітрового потоку на лісовий масив основна частина радіонуклідів, що містяться у ньому, фільтрується і затримується на узліссях. Таку здатність лісу називають узлісним ефектом.Поверхневий стік радіонуклідів на заліснених територіях набагато менший, ніж на відкритих і в агроекоценозах. Установлено, що питома активність стічних вод, що випливають із лісового масиву, не перевищує 1 — 3 % стоку на відкритих просторах. Такий лісовий

373

масив можна характеризувати коефіцієнтом виносу, який визначають за формулою(12.21) :

KВ V / А (12.21)

де V - поверхнева активність радіонуклідів із водотоками з лісового масиву (струмки, малі ріки), Бк/км2; А — поверхнева активність радіонуклідів, що випали па лісовий масив, Бк/км2. Такий коефіцієнт КВ може бути розрахований і для річного виносу, і на будь-який триваліший період. Радіонукліди, що осідають на кронах дерев, під впливом атмосферних опадів і внаслідокопадання листя переміщуються в лісову підстилку. Для характеристики цього процесу використовують такий показник, як період напіввтрат із крони дерев осілих на них радіонуклідів. Оцінки при глобальних випаданнях довели, що період напіввтрат T1/2 —час, за який половина осілих на крону радіонуклідів переходить у підстилку, становить для листяних лісів 3 місяці, а для хвойних — 4 —5 місяців. Тривалість цього періоду залежить від багатьох характеристик: випадань, форми і типу радіонуклідів, сезону, клімату тощо. Після потрапляння у лісову підстилку радіонукліди залучаються до основних екологічних процесів.

Як камерну модель цей процес можна описати у вигляді такої блоксхеми: лісова підстилка — біота лісової підстилки (гриби та інші рослини) — ґрунти — корені — стовбури — кора — листя. Цей цикл може тривати довго.

Лісова екосистема є особливим видом екосистем, що міцно утримує радіонукліди. Якщо лісовий масив не використовується (наприклад, 30-кілометрова зона ЧАЕС), то чинник його радіоємності близький до 1.Весь можливий винос радіонуклідів пов'язаний лише з незаконними порубками, полюванням, збиранням грибів і ягід, а також із відносно малим поверхневим стоком радіонуклідів із лісового ландшафту і потраплянням їх у водотоки (малі струмки та річки). У цьому випадку досить оцінити річний винос радіонуклідів із лісового масиву усіма водотоками, порівняти з кількістю викинутих на нього радіонуклідів і розрахувати чинник його радіоємності. У разі використання забрудненого радіонуклідами лісового масиву потрібно додатково врахувати обсяги вивозу лісу, а також винос унаслідок полювання, збирання грибів і ягід. Оцінка рівня радіонуклідного забруднення цих лісових продуктів дасть змогу визначити антропогенний винос радіонуклідів. Ураховуючи природний і антропогенний винос радіонуклідів, можна оцінити залишкову радіоактивність лісового масиву на будь-який період часу і

374

розрахувати чинник радіоємності лісової екосистеми. Відомо, що практично в усіх випадках із лісових екосистем за рік виноситься не більш ніж 1 — 3 % запасу відкладень радіонуклідів на ландшафті. Таким чином, чинник радіоємності лісової екосистеми доcягає 0,97- 0,99.

12.6. Міграція радіонуклідів у наземних екосистемах

Наземні екосистеми можна поділити на три основні групи: лісові, лучні та агроекосистеми.Останні буде розглянуто в наступному розділі. Тут зупинимося на перших двох типах екосистем. Загальною властивістю цих екосистем є наявність рослинного покриву. Радіонукліди потрапляють у наземні екосистеми, як зазначалось вище, трьома основними шляхами: повітряним (випадання з атмосфери), поверхневим стоком і вторинним вітровим підійманням. Для лісових екосистем важливе значення може мати тільки перший шлях надходження радіонуклідів, а внесок двох інших доцільно враховувати тільки стосовно лучних екосистем і агроценозів.

Надходжння радіонуклідв на теориторії з рослинним покривом. Найважливіше джерело забруднення наземних біогеоценозів — радіоактивні гази та аерозолі, що випадають з атмосфери. Великі часточки, що осідають під дією сили гравітації, потрапляють безпосередньо на підстильну поверхню і рослинний покрив. Осадження на рослинах дрібних часточок і газів, що переносяться вітром і повітряними потоками, зумовлене турбулентним перемішуванням атмосфери і вимиванням часточок атмосферними опадами. Інтенсивність турбулентної пульсації атмосфери в приземному шарі і зумовлене нею випадання радіонуклідів значною мірою залежать від ступеня шорсткості підстильної поверхні. Коефіцієнт осадження радіонуклідів з атмосфери біля поверхні ґрунту внаслідок турбулентної дифузії зростає зі збільшенням пересіченості місцевості й висоти рослинного покриву.

Повітряний потік, що несе радіоактивні аерозолі, зіштовхуючись із перешкодою (листя, дерево, лісовий масив, травостій), обтікає її, а часточки аерозолю, за інерцією зберігаючи рух, потрапляють на поверхні й осідають на них унаслідок інерційного осадження. Коефіцієнт інерційного осадження Жа) залежить від розміру часточок: важкі часточки затримуються краще, легкі обтікають перешкоду разом із повітряним потоком і незначною мірою осаджуються на поверхні рослин. За наявності множинних перешкод

375

(крони дерев) дрібні часточки аерозолів теж осаджуються. Можна говорити про фільтрувальну здатність дерев і лісового масиву в цілому. Затримувальиа здатність рослинного покриву щодо часточок, які випадають з атмосфери, і наступне змивання їх із рослин залежать від кількох чинників: 1) площі відкритої поверхні органів рослин; 2) форми, розмірів, орієнтації листя чи хвої та ступеня шорсткості їхньої поверхні; 3) швидкості вітру під час і після випадання; 4) кількості опадів під час і після випадання; 5) розмірів і агрегатного стану часточок аерозолів; 6) кількості часточок, відкладених на рослинний покрив до випадання; 7) відносної вологості повітря під час випадання. У спостереженнях за вулканічним пилом отримано співвідношення, придатні для кількісної характеристики процесів осадження аерозолів на рослини. Кількість часточок, що осаджуються на поверхні рослин певного виду, можна визначити за формулою:

де К — частка затриманих рослинним покривом часточок (коефіцієнт затримування); с — маса затриманих рослинами часточок у розрахунку на одиницю їхньої біомаси, г/кг; Р — урожай біомаси рослин на одиницю площі, кг/м2; т — маса часточок, що випали на одиницю площі, г/м2. Позначимо співвідношення с/т = а. Тоді для групи часточок заданного розміру, що характеризуються цим параметром а = a(.v) (v — відношення

швидкості вітру до швидкості осадження часточок), можна вивести таку формулу:

a(v) N (a) E0 (v) S(v) F(P) , (12.23)

де N(a) — коефіцієнт інерційного осадження; E0 — імовірність захоплення (прилипання) часточок; S — проекція площі рослини (у розрахунку на одиницю маси) на переріз потоку повітря, що набігає; F(P) —функція, що враховує екранування рослин одна одною і залежить від біомаси рослин на одиницю площі.

Кількість пилу, що перехоплюється з випадань рослинним покривом, значною мірою залежить від будови листя, шорсткості його поверхні, щільності рослинного покриву і відносної вологості повітря. Якщо відносна вологість становить 90 %, коефіцієнт затримування зростає в 2,5 раза порівняно із сухою погодою (ймовірність захоплення радіонуклідів вологим листям вища). Помітний вплив має і швидкість вітру. Осадження є максимальним, якщо швидкість вітру не перевищує 10 км/год. Значення а для відкритого та екранованого листя відрізняються в 10 разів. За ідеальних метеорологічних умов на рослинах затримуються всі

376

часточки розміром до 200 мкм. Проте із загальної кількості аерозольних часточок, затриманих рослинами, надалі на них закріплюється тільки певна частина, а решта змивається дощем і видувається вітром. У разі середньої швидкості вітру 10 км/год із рослин протягом кількох годин може бути вилучено близько 50 % вільних часточок пилу. Розрізняють сухі й вологі радіоактивні випадання. Зрозуміло, що останні краще затримує рослинний покрив. Радіоактивні часточки затримуються переважно в міжвузлях, пазухах листя, між волосками й у смолистих вузлах поверхні листків. Тому рослини з добре розчленованим, шорстким, липким, опушеним волосками (наприклад, повстяна вишня) і смолистим листям мають більшу затримувальну здатність, ніж рослини з гладким листям.

Міграція радіонуклідів у лісових екосистемах. Ліс здатний довго й міцно утримувати радіонукліди, запобігаючи винесенню їх за межі забрудненої території. Тому ліс впливає на міграцію радіонуклідів у глобальному масштабі. У зв'язку з цим дослідження міграції радіонуклідів у лісових біоценозах і реакцій цих біоценозів на радіонуклідне забруднення є важливим завданням радіоекології, особливо в умовах великомасштабних радіонуклідних забруднень, спричинених великими ядерними аваріями. Порівняльний рівень радіонуклідного забруднення різних ландшафтів можна проілюструвати результатами аналізу Киштимської аварії. У табл. 12.4 наведено відносні коефіцієнти забруднення різних типів ландшафту, зумовлені цією аварією, стосовно орних ділянок (прийнятих за одиницю). Із табл. 3.4 видно, що лісові екосистеми забруднюються у 3 —7 разів більше, ніж ландшафти відкритого типу. Щодо лісових екосистем важливо знати:

1. Як впливає радіонуклідне забруднення на виживаність і функції лісу (особливо радіочутливого хвойного).

Таблиця 12.4. Відносні коефіцієнти забруднення різних типів ландшафту порівняно з орними угіддями

377

2.Яка роль лісу в утриманні радіонуклідів і захисті інших теритоій від вторинного забруднення ними.

3.Рівень радіонуклідного забруднення лісового масиву і можливості господарського використання цього масиву.

Уразі набігання вітрового потоку на узлісся частина потоку відхиляється вгору, огинаючи лісовий масив, а частина проникає в ліс і фільтрується кронами дерев. Величезна площа поверхні крон дерев

порівняно з їхнім об'ємом дає змогу ефективно сорбувати і утримувати радіонукліди, внаслідок чого ліс виконує функцію фільтра стосовно вітрових і дощових потоків, що несуть радіонукліди.

Увипадку горизонтального набігання вітрового потоку на лісовий масив значно більша частина радіонуклідів осідає на узліссі (узлісний

ефект), заглиблюючись у ліс на відстань близько 500 м. У разі фільтрації радіонуклідів із горизонтального потоку при чергуванні лісових і безлісних ділянок досягається багаторазове використання узлісного ефекту. Атмосферні домішки краще утримуються поодинокими деревами (приблизно в 30 разів більше), ніж лісовим масивом. Для оцінки затримувальної здатності лісу прийнято використовувати коефіцієнт затримування - відношення кількості затриманих лісом радіонуклідів до загальної кількості радіонуклідів, що випали. Коефіцієнт затримування радіонуклідів у разі вертикального осадження варіює в широких межах залежно від типу

і віку насаджень, сезонних та метеорологічних умов і форм випадань. Листяні насадження здатні утримувати 10-20 % річної кількості атмосферних опадів, а отже, й радіонуклідів, крони хвойних порід 20

— 30 %. Значення коефіцієнта затримування залежить від тривалості та інтенсивності дощу і снігу. Інтенсивні зливові дощі зумовлюють гірше утримування радіонуклідів, ніж мжичка (мряка) - 95 %. Крони деревних рослин здатні ефективно утримувати також сухі випадання радіонуклідів (особливо 131І) у вигляді частинок і газів. У рослин зі щільними кронами коефіцієнт затримування твердих радіоактивних частинок дорівнює ступеню зімкнутості крон (зімкнутість крон — частка площі крон на одиницю площі лісу). У цілому коефіцієнт затримування радіонуклідів у лісових масивах коливається від 0,2 до 1,0. Частина радіонуклідів, що залишається в кронах дерев, може проникати у внутрішні тканини рослин і залучатися до обмінних процесів. Адсорбція радіонуклідів (таких, як 32Р, 40К, 60Со, 90Sr, 106Ru, l06Rh, 137Cs,144Ce) після поверхневого забруднення - основний

379

настає динамічна рівновага між цими процесами. При цьому рівень, на який щорічне перенесення із ґрунту в надземну масу рослин перевищує зворотне перенесення внаслідок (падання листя, відповідає зростанню активності радіонуклідів у біомасі за поточний рік. Спостерігається повільне підвищення вмісту радіонуклідів у біомасі дерева і промисловій деревині. Подібні ефекти характерні для радіонуклідного забруднення лісу в 30-кілометровій зоні ЧАЕС.

Особливе місце в екосистемі лісу посідають гриби. Так, якщо в перший період після випадання чи аварії радіонуклідне забруднення грибів є тільки поверхневим і незначним, то через кілька років, коли починаються процеси переробки і засвоєння лісової підстилки, радіонуклідне забруднення грибів стає істотним і згодом зростає. Ця обставина потребує спеціального моніторингу і контролю радіонуклідного забруднення грибів у лісі. У 30-кілометровій зоні ЧАЕС трапляються гриби з питомою активністю радіонуклідів до 3,7 • 105 Бк/кг (10-5 Кі/кг).

Радіоємність лісових екосистем. Інтерес радіоекологів до лісу пояснюється тим, що він є своєрідним природним комплексом і здатний довго й міцно утримувати радіонукліди,які потрапили до нього, запобігаючи їх виносу за межі забрудненої території. Це означає високий рівень радиоємності лісових екосистем. Ліс може впливати на міграцію радіонуклідів у глобальному масштабі. Проте ліс, особливо хвойний, дуже чутливий до впливу йонізуючого випромінювання. Своєрідні властивості лісу починають виявлятися вже з перших моментів осадження радіонуклідів з атмосфери на лісовий масив. Для характеристики затримувальної здатності лісу використовують такий показник, як коефіцієнт затримування:

КЗ ВА (12.24)

де А - поверхнева активність радіонуклідів, що випали на одиницю площі лісу, Бк/км2 (Кі/км2); В - поверхнева активність затриманих у кронах дерев радіонуклідів на тій самій одиниці площі лісу, Бк/км (Кі/км2). Коефіцієнт затримування при осадженні на ліс атмосферної домішки радіонуклідів варіює в широкому діапазоні значень залежно від типу і віку насаджень, сезону, метеорологічних умов під час випадання і фізико-хімічних форм радіонуклідів, що осідають на ліс. Так, у зимовий період випадання радіонуклідів К3 листяного лісу в 5 разів менше, ніж у весняно-літній період, через опадання листя. У разі горизонтального вітрового потоку на лісовий масив основна частина радіонуклідів, що містяться у ньому, фільтрується і