Forecast of radioactive contamination of agricultural and forestry products on former agricultural lands of the Bryansk region

Full Text

Введение

Авария на Чернобыльской АЭС вызвала масштабное радиоактивное загрязнение окружающей среды и повлекла за собой ограничение ведения сельскохозяйственного производства на обширных территориях Беларуси, России и Украины [1, 2]. На начальных этапах формирования радиационно-экологической обстановки на загрязнённых территориях актуализировались вопросы получения нормативно чистой продукции сельскохозяйственного производства [1]. Высокому уровню накопления радионуклидов в продукции во многом способствовало преобладание на этих территориях дерново-подзолистых песчаных и супесчаных почв с низким содержанием гумуса и обменных оснований [3]. По этой причине с 1987 года в Брянской области началось поэтапное выведение из землепользования наиболее загрязнённых сельскохозяйственных угодий в хозяйствах Гордеевского, Злынковского, Клинцовского, Красногорского и Новозыбковского районов. В дальнейшем, по мере прохождения автореабилитационных процессов, происходило снижение плотности загрязнения почвы, однако и спустя 30 лет после аварии ~16 тыс. га сельскохозяйственных угодий относились к категории выведенных из пользования [2]. Примерно 80 % земель имели плотность загрязнения почвы ¹³⁷Cs >555 кБк/м², причём 57,6 % относились к пастбищам и сенокосам. По мере дальнейшего очищения природной среды от радионуклидов продолжают оставаться актуальными вопросы рационального использования бывших сельскохозяйственных угодий. В работах [2, 4] показана необходимость комплексного учёта радиологических и почвенно-экологических факторов при принятии решений о безопасном использовании бывших сельскохозяйственных угодий. Как правило, основными вариантами дальнейшего использования этих земель являются [2, 5, 6]:

• возврат в хозяйственный оборот при возможности получения нормативно-чистой продукции и приемлемых дозах внешнего облучения работающих;
• передача в лесной фонд для последующего естественного лесовозобновления или создания лесных культур при невозможности получения продукции сельского хозяйства, соответствующей допустимым уровням;
• сохранение статуса выведенных из пользования земель при высоком уровне радиоактивного загрязнения и дозах внешнего облучения работающих. В этом случае возможно проведение мероприятий, содействующих естественному возобновлению леса.

Таким образом, целью настоящего исследования явилась прогнозная оценка распределения бывших сельскохозяйственных угодий по зонам радиоактивного загрязнения и группам почв, а также удельной активности ¹³⁷Cs в продукции сельского и лесного хозяйства при выращивании на этой территории.

Объекты и методы

Оценка распределения бывших сельскохозяйственных угодий по зонам радиоактивного загрязнения и группам почв проведена на основе анализа информации, содержащейся в базе данных¹ с результатами радиологического обследования бывших сельскохозяйственных угодий Брянской области. База данных содержит информацию об административной и хозяйственной принадлежности элементарных участков каждого угодья, плотности загрязнения почвы основным дозообразующим радионуклидом – ¹³⁷Cs, мощности амбиентного эквивалента дозы внешнего гамма-излучения, виду угодья, типу почвы, основным агрохимическим показателям на момент обследования в 2007–2010 гг. Согласно предварительному анализу, к категории выведенных из пользования относились сельскохозяйственные угодья общей площадью ~16 тыс. га с плотностью загрязнения почвы ¹³⁷Cs свыше 111 кБк/м². При этом, натурное обследование угодий свидетельствовало о наличии на ~ 10 % территории сформировавшейся древесно-кустарниковой растительности с преобладанием мягколиственных пород [2].

Прогнозную оценку плотности загрязнения почвы по каждому элементарному участку выполняли с учётом радиоактивного распада и миграции радионуклида ¹³⁷Cs за пределы корнеобитаемого слоя почвы:

$А\left(t\right)=A\left(t_0\right)\cdot e^{-({\lambda }_r+{\lambda }_s)\cdot T},$ (1)

где A(t) – плотность загрязнения почвы элементарного участка ¹³⁷Cs на момент прогнозирования, кБк/м²; A(t₀) – плотность загрязнения почвы ¹³⁷Cs на год проведения обследования, кБк/м²; ${\lambda }_r$ – постоянная радиоактивного распада ¹³⁷Cs, 0,023 год^-1; ${\lambda }_s$ – постоянная выноса радионуклида за пределы корнеобитаемого слоя, 0,046 год^-1 [7]; Т – промежуток времени с момента обследования до составления прогноза, лет. Постоянная выноса радионуклида за пределы корнеобитаемого слоя почвы консервативно принимается постоянной для всех групп почв, на которых выращиваются сельскохозяйственные культуры.

Площади элементарных участков суммировали для каждого года прогнозирования по группам почв (дерново-подзолистой песчаной и супесчаной, суглинистой и глинистой, торфяно-болотной) и диапазонам плотности радиоактивного загрязнения почвы ¹³⁷Cs (37–185, 185–555, 555–1480 и более 1480 кБк/м²) согласно существующему зонированию территорий.

Прогнозную оценку содержания ¹³⁷Cs выполняли в некоторых видах продукции сельского (зерна озимой ржи, клубнях картофеля, молока) и лесного хозяйства. В последнем случае рассматривали усреднённую грибную корзину, используемую в пищевых целях, или так называемый «средний гриб» [8], а также неокорённую древесину сосны обыкновенной и дуба черешчатого при условии произрастания их на дерново-подзолистых песчаных и суглинистых почвах [2], соответственно.

Для граничных значений плотности загрязнения почвы в зонах радиоактивного загрязнения для года t рассчитывали прогнозируемую удельную активность ¹³⁷Cs в зерне озимой ржи, клубнях картофеля и неокорённой древесине:

$S{A}_{i,j}\left(t\right)=A\left(t\right)\cdot T{f}_{i,j},$ (2)

где Tf_i,j – коэффициент перехода (пропорциональности) ¹³⁷Cs для продуктивной части i-й сельскохозяйственной культуры или неокорённой древесины, произрастающей на j-й группе почв (табл. 1) [2], 10^-3 м²/кг. Коэффициент перехода принят постоянным, исходя из условия квазиравновесного распределения радионуклида в системе «почва–растение» [2, 9, 10].

 

Таблица 1. Коэффициенты перехода (пропорциональности) ¹³⁷Cs для видов продукции и численные значения параметров [2, 8]

Table 1. Transfer (proportionality) factors of ¹³⁷Cs for product types and numerical values of parameters [2, 8]

Вид продукции	Параметр	Группы почв
		дерново-подзолистые песчаные и супесчаные	дерново-подзолистые легко- и среднесуглинистые	торфяно-болотные
Зерно озимой ржи	Tfi,j	0,2	0,06	0,4
Клубни картофеля		0,1	0,05	0,3
Молоко	Tfi,j(1986)	7,5	2	10
	аi,j	0,12	0,12	0,045
	сi,j	0,0693	0,0693	0,0231
«Средний гриб»	Tfi,j(1986)	20	6	30
	аi,j	1
	сi,j	0,0408
Неокорённая древесина сосны	Tfi,j	5	-	-
Неокорённая древесина дуба	Tfi,j	-	1,5	-

 

Прогнозируемое содержание ¹³⁷Cs в молоке и усреднённой грибной корзине на год t рассчитывали с учётом динамики параметров накопления [8]:

$\begin{array}{c}S{A}_{i,j}\left(t\right)=A\left(t\right)\times e^{{\lambda }_r\cdot (t-1986)}\times T{f}_{i,j}\left(1986\right)\times \\ \times \left(a_{i,j}\cdot e^{-c_{i,j}\cdot (t-1986)}\right),\end{array}$ (3)

где Tf_i,j(1986) – коэффициент перехода (пропорциональности) ¹³⁷Cs для молока или «среднего гриба», полученного для j-й группы почв на момент поступления радионуклидов в окружающую среду, 10^-3 м²/кг (табл.1); а_i,j и с_i,j – коэффициенты для молока или «среднего гриба», собранных на j-й группе почв, отн. ед. и год^-1, соответственно.

При расчёте удельной активности ¹³⁷Cs в исследуемых видах продукции (SA_i,j (t)) консервативно принимали коэффициент вариации (V) 50 % для всех коэффициентов перехода (пропорциональности) [11]. Соответственно, величину удельной активности ¹³⁷Cs приводили в виде SA_i,j(t)± σ_SA (σ_SA – стандартное отклонение рассчитанной удельной активности радионуклида), что позволило сформировать представление о диапазоне, в котором могут находиться исследуемые значения.

Рассчитанные удельные активности ¹³⁷Cs в продуктах питания сравнивали с нормативами: 40 Бк/кг для хлеба, 80 Бк/кг для клубней картофеля, 100 Бк/л для молока и 500 Бк/кг для свежих дикорастущих грибов.² Следует указать, что удельная активность ¹³⁷Cs в хлебе, как правило, в два раза меньше по сравнению с исходным сырьём – зерно озимой ржи, что позволяет консервативно оценить возможность его заготовки для пищевого потребления.

Результаты и их обсуждение

В настоящее время ~ 46 %, или около 7,4 тыс. га, загрязнённых земель относится к дерново-подзолистым песчаным, супесчаным и суглинистым почвам с плотностью загрязнения ¹³⁷Cs 555–1480 кБк/м² (табл. 2).

 

Таблица 2. Существующее и прогнозное распределение площади бывших сельскохозяйственных угодий по зонам радиоактивного загрязнения и группам почв Брянской области

Table 2. Actual and predicted distribution of the area of former agricultural lands throughout zones of radioactive contamination and soil groups of the Bryansk Region

Плотность загрязнения 137Cs, кБк/м2	Группы почв
	Дерново-подзолистые песчаные и супесчаные, га (%)	Дерново-подзолистые легко- и среднесуглинистые, га (%)	Торфяно-болотные, га (%)
2024 год
37–185	211 (1,3)	99 (0,6)	–
185–555	3561 (22,4)	1974 (12,5)	858 (5,4)
555–1480	3743 (23,6)	3668 (23,1)	1004 (6,3)
>1480	543 (3,4)	210 (1,3)	18 (0,1)
2040 год
37–185	477 (3)	268 (1,7)	–
185–555	4951 (31,1)	3131 (19,7)	1455 (9,2)
555–1480	2507 (15,8)	2552 (16,1)	407 (2,5)
>1480	123 (0,8)	–	18 (0,1)
2055 год
37–185	1573 (9,9)	712 (4,5)	262 (1,6)
185–555	4793 (30,2)	3838 (24,2)	1328 (8,4)
555–1480	1692 (10,6)	1401 (8,8)	290 (1,8)
>1480	–	–	–

 

Площадь угодий в зоне 185–555 кБк/м² составляет 5,5 тыс. га, или ~ 35 %. Доля территорий на торфяно-болотных почвах относительно невелика – 12 %. По мере радиоактивного распада прогнозируется перераспределение угодий по зонам радиоактивного загрязнения. К 2040 году ожидается уменьшение в четыре раза площади территории с плотностью загрязнения >1480 кБк/м²: до 130 га, или <1 %. Около 8 тыс. га земель (~ 50 % всех земель) будет находиться в зоне 185–555 кБк/м², причём основная часть их представлена дерново-подзолистыми песчаными и супесчаными почвами (~ 5 тыс. га). Примерно на 3 тыс. га уменьшится площадь угодий в зоне 555–1480 кБк/м² (табл. 2).

К 2055 году в зоне 555–1480 кБк/м² площадь бывших сельскохозяйственных земель уменьшится почти в два раза по сравнению с 2024 годом и составит ~ 3 тыс. га, или ~ 20 % от всей территории. Наибольшее количество бывших сельскохозяйственных угодий к 2055 году будет сосредоточено в зоне 185–555 кБк/м² (~ 8,6 тыс. га земель, или ~ 54 % от всей территории). Площадь сельскохозяйственных угодий в зоне 37–185 кБк/м² увеличится почти в семь раз по сравнению с 2024 годом, достигнув величины 2,5 тыс. га по всем группам почв. В целом же, увеличение площади бывших сельскохозяйственных угодий в этой зоне радиоактивного загрязнения является обнадёживающим для введения их в оборот при условии соответствия нормативному содержанию ¹³⁷Cs в продукции растениеводства и животноводства.

Прогнозируемая удельная активность ¹³⁷Cs в зерне озимой ржи и клубнях картофеля приведена в табл. 3. Как следует из представленных данных, наиболее вероятно получение зерна озимой ржи с допустимым содержанием ¹³⁷Cs при выращивании на дерново-подзолистых песчаных и супесчаных почвах при плотности загрязнения < 185 кБк/м², а на легко- и среднесуглинистых – < 555 кБк/м². Таким образом, сопоставляя прогноз удельной активности ¹³⁷Cs в зерне и распределение бывших сельскохозяйственных угодий по зонам радиоактивного загрязнения, отметим, что в настоящее время зерно с допустимым содержанием радионуклида можно получить на общей площади 2,3; к 2040 году – на 3,9; а к 2055 году – 6,1 тыс. га.

 

Таблица 3. Прогнозируемая удельная активность ¹³⁷Cs в зерне озимой ржи и клубнях картофеля по [2]

Table 3. Predicted specific activity of ¹³⁷Cs in winter rye grain and potato tubers according to [2]

Плотность загрязнения почвы, кБк/м2	Группы почв
	дерново-подзолистые песчаные и супесчаные	дерново-подзолистые легко- и среднесуглинистые	торфяные
Зерно ржи озимой
37	7±4	2±1	15±8
185	37±18	11±6	74±7
555	111±55	33±17	222±111
1480	296±148	89±45	592±296
Клубни картофеля
37	4±2	2±1	11±6
185	19±10	9±5	56±28
555	56±28	28±14	167±84
1480	148±74	74±37	444±222

 

Содержание ¹³⁷Cs в клубнях картофеля может соответствовать допустимому нормативу при выращивании на дерново-подзолистых песчаных и супесчаных почвах с плотностью загрязнения до 555, а для суглинистых – даже до 1480 кБк/м² (табл. 3). Соответственно, для первой группы почв допустимый норматив не будет превышен на 3,8 тыс. га в 2024 году и на 6,4 тыс. га в 2055 году.

На дерново-подзолистых суглинистых почвах выращивание картофеля возможно при плотности загрязнения < 1480 кБк/м², т. е. практически на всех выведенных из пользования угодьях в этой группе почв, что составляет 5,7 тыс. га. Оценка содержания ¹³⁷Cs в зерне озимой ржи и клубнях картофеля при выращивании на торфяно-болотных почвах свидетельствует о возможном соответствии допустимым нормативам при плотности загрязнения < 185 кБк/м², но, как правило, в этих условиях пропашные культуры возделывать не рекомендуется.

Содержание ¹³⁷Cs в молоке будет соответствовать допустимому нормативу при выращивании кормов для молочного скота на дерново-подзолистых легко- и среднесуглинистых почвах независимо от её плотности загрязнения. В 2024 и 2040 гг. рекомендуется ограничить использование кормов, выращенных на дерново-подзолистых песчаных и супесчаных почвах при плотности загрязнения ¹³⁷Cs 555 кБк/м². Это ограничение можно будет снять к 2055 году практически во всех зонах радиоактивного загрязнения.

Вместе с тем, в большинстве случаев кормопроизводство осуществляется на торфяно-болотных почвах, которым свойственна, с одной стороны, бóльшая урожайность кормовых культур и естественных травостоев, а с другой – повышенное накопление ¹³⁷Cs зелёной массой. Соответственно, при использовании таких кормов превышение допустимого норматива по содержанию радиоцезия в молоке возможно в 2024 году при плотности загрязнения почвы 300 кБк/м² и 2055 году – 370 кБк/м². В 2055 году гарантировано получить молоко, соответствующее допустимому нормативу, можно только при использовании кормов, выращенных на торфяно-болотных почвах с плотностью загрязнения 37–185 кБк/м² на площади 262 га, или 1,6 % от всей территории (табл. 4).

 

Таблица 4. Прогнозируемая объёмная активность ¹³⁷Cs в молоке по [8]

Table 4. Predicted volumetric activity of ¹³⁷Cs in milk according to [8]

Плотность загрязнения почвы, кБк/м2	Группы почв
	дерново-подзолистые песчаные и супесчаные	дерново-подзолистые легко- и среднесуглинистые	торфяно- болотные
2024 год
37	5±3	<2	13±7
185	27±14	7±4	64±32
555	82±41	22±11	191±96
1480	217±109	58±26	502±251
2040 год
37	3±1	<2	11±6
185	14±7	4±2	57±28
555	41±21	11±6	172±86
1480	108±56	29±15	453±227
2055 год
37	<2	<2	10±5
185	7±4	2±1	52±26
555	21±11	5±3	155±78
1480	54±27	14±7	408±204

 

Лесные грибы продолжают оставаться критичным продуктом питания по накоплению ¹³⁷Cs, что подтверждается прогнозными расчётами (табл. 5). Так, в 2024 году норматив по содержанию радионуклида в усреднённой грибной корзине может быть превышен при плотности загрязнения дерново-подзолистой песчаной и супесчаной почвы ~ 37 кБк/м², а на суглинистых почвах – до 185 кБк/м². При этом превышение допустимого содержания ¹³⁷Cs в грибах могло бы наблюдаться на торфяно-болотных почвах даже в диапазоне плотности загрязнения 18–37 кБк/м², однако эти условия местопроизрастания не типичны. В целом же, тенденция наиболее высокого уровня загрязнения грибов прогнозируется и в последующие годы. При этом важно учесть, что накопление ¹³⁷Cs сильно накапливающими грибами (польский гриб, различные виды маслят) примерно в два раза больше по сравнению с усреднённой грибной корзиной, поэтому необходимо проведение обязательного радиометрического контроля при их заготовке даже на условно «чистой» территории < 37 кБк/м².

 

Таблица 5. Прогнозируемая удельная активность ¹³⁷Cs в усреднённой грибной корзине по [8]

Table 5. Predicted specific activity of ¹³⁷Cs in the average mushroom basket according to [8]

Плотность загрязнения почвы, кБк/м2	Группы почв
	дерново-подзолистые песчаные и супесчаные	дерново-подзолистые легко- и среднесуглинистые	торфяно- болотные
2025 год
37	371±185	111±56	557±279
185	1855±928	557±279	2783±1392
555	5566±2780	1670±835	8349±4175
2040 год
37	285±142	85±43	427±213
185	1423±712	427±214	2134±1067
555	4268±2134	1280±640	6402±3201
2055 год
37	218±109	65±33	327±164
185	1091±546	327±164	1636±818
555	3273±1637	982±491	4909±2455

 

Таблица 6. Прогнозируемая удельная активность ¹³⁷Cs в неокорённой древесине сосны и дуба по [2]

Table 6. Predicted specific activity of ¹³⁷Cs in the unbarked pine and oak wood according to [2]

Плотность загрязнения почвы, кБк/м2	Группы почв, древесная порода
	дерново-подзолистые песчаные и супесчаные, сосна	дерново-подзолистые легко- и среднесуглинистые, дуб
37	185±93	56±28
185	925±463	280±140
555	2775±1388	832±416
1480	7400±3700	2220±1100

 

Выводы

1. На основе анализа базы данных «Электронный реестр земель с высоким уровнем радиоактивного загрязнения (ЭЛРЕВУЗ)» выполнен прогноз распределения выведенных из оборота сельскохозяйственных угодий Брянской области по зонам радиоактивного загрязнения и типам почв на период до 2055 года, а также удельной активности ¹³⁷Cs в зерне озимой ржи, клубнях картофеля, молоке, усреднённой грибной корзине, неокорённой древесине сосны и дуба.
2. В 2024 году ~ 46 % бывших сельскохозяйственных угодий на дерново-подзолистых почвах характеризуются плотностью загрязнения ¹³⁷Cs от 555 до 1480 кБк/м². К 2055 году ~ 54 % угодий будет находиться в зоне с плотностью загрязнения почвы ¹³⁷Cs 185–555 кБк/м² и ~ 16 % – 37–185 кБк/м², что позволяет предположить о потенциальной возможности их использования при соответствии продукции растениеводства и животноводства допустимым нормативам.
3. В настоящее время выращивание зерна озимой ржи, соответствующего нормативу по содержанию ¹³⁷Cs, возможно на дерново-подзолистых песчаных и супесчаных почвах с плотностью загрязнения ¹³⁷Cs <185 кБк/м², а на легко- и среднесуглинистых – <555 кБк/м², т. е. на площади 2,3 тыс. га. К 2040 году эта площадь увеличится до 3,9, а к 2055 го- ду – 6,1 тыс. га. Выращивание картофеля возможно на дерново-подзолистых песчаных и супесчаных почвах при её плотности загрязнения ¹³⁷Cs <555 кБк/м², а на легко- и среднесуглинистых – <1480 кБк/м². Соответственно, к 2055 году примерно на 6 тыс. га этой группы почв прогнозируется возможность получения картофеля с допустимым содержанием ¹³⁷Cs.
4. Получение кормов для молочного скота, обеспечивающих допустимое содержание ¹³⁷Cs в молоке, возможно в 2024 году, при плотности загрязнения дерново-подзолистой песчаной и супесчаной почвы до 555 кБк/м² и до 1480 кБк/м² – на суглинистой, причём к 2055 году эти ограничения могут быть сняты для всех зон радиоактивного загрязнения.
5. Лесные грибы продолжают оставаться критичным продуктом питания по накоплению ¹³⁷Cs, норматив содержания радионуклида в усреднённой грибной корзине может быть превышен при плотности загрязнения дерново-подзолистой песчаной и супесчаной почвы ~ 37 кБк/м², а на суглинистых почвах – до 185 кБк/м².
6. Одним из эффективных путей использования выведенных из сельскохозяйственного оборота земель является их передача в лесной фонд для последующей посадки лесных культур или содействию естественному лесовозобновлению. В этом случае произойдет формирование естественных биогеоценозов, соответствующих природно-климатическим условиям исследуемой территории, а по достижению возраста спелости древостоев возможно получение древесины с допустимым содержанием радионуклидов.

 

¹ Шубина О. А., Титов Е. И. Электронный реестр земель с высоким уровнем радиоактивного загрязнения (ЭЛРЕВУЗ). Свидетельство о регистрации базы данных, № 2016620529 от 26.04.2016.

² ТР ТС 021/2011 Технический регламент Таможенного союза «О безопасности пищевой продукции» (с изменениями на 25 ноября 2022 года).

³ СП 2.6.1.759-99. Допустимые уровни содержания цезия-137 и стронция-90 в продукции лесного хозяйства.

About the authors

Alexander N. Perevolotsky

National Research Centre “Kurchatov Institute”

Author for correspondence.
Email: forest_rad@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-6913-7609
SPIN-code: 1469-3199

Doctor of Biological Sciences, Leading Researcher at the Laboratory of Mathematical Modeling and Software & Information Support, Russian Institute of Radiology and Agroecology 

Russian Federation, 1/1, Kievskoe shosse, Obninsk, 249035

Tatyana V. Perevolotskaya

National Research Centre “Kurchatov Institute”

Email: forest_rad@mail.ru
ORCID iD: 0000-0001-8250-5536
SPIN-code: 4562-3671

Candidate of Biological Sciences, Associate Professor, Senior Researcher at the Laboratory of Mathematical Modeling and Software & Information Support, Russian Institute of Radiology and Agroecology

Russian Federation, 1/1, Kievskoe shosse, Obninsk, 249035

Igor E. Titov

National Research Centre “Kurchatov Institute”

Email: forest_rad@mail.ru
SPIN-code: 2589-2233

Researcher at the Laboratory of Mathematical Modeling and Software & Information Support, Russian Institute of Radiology and Agroecology

Russian Federation, 1/1, Kievskoe shosse, Obninsk, 249035

Olga A. Shubina

National Research Centre “Kurchatov Institute”

Email: forest_rad@mail.ru
SPIN-code: 7036-8172

Candidate of Biological Sciences, Deputy Director for Scientific Work, Russian Institute of Radiology and Agroecology 

Russian Federation, 1/1, Kievskoe shosse, Obninsk, 249035

References

Supplementary files