Оценка последствий радиоактивного загрязнения наземных

Оценка последствий радиоактивного загрязнения…
С.И. СПИРИДОНОВ, В.М. СОЛОМАТИН, Е.И. КАРПЕНКО
ВНИИ сельскохозяйственной радиологии и агроэкологии, Обнинск, Калужская обл.
ОЦЕНКА ПОСЛЕДСТВИЙ РАДИОАКТИВНОГО ЗАГРЯЗНЕНИЯ НАЗЕМНЫХ
ЭКОСИСТЕМ ДЛЯ БИОТЫ И НАСЕЛЕНИЯ
Обоснована необходимость развития методов системной радиоэкологии, направленных на оценку радиационной
устойчивости природных экосистем и радиоэкологических рисков. На конкретных примерах продемонстрировано
применение различных подходов при анализе функционирования лесных биогеоценозов после острого облучения и
изучении последствий радиоактивного загрязнения луговых экосистем для человека и биоты.
Комплексная оценка последствий радиоактивного загрязнения экосистем включает
прогнозирование миграции радионуклидов, расчет дозовых нагрузок на биоту и человека, анализ
развития природных объектов в условиях действия радиационного фактора. «Инструментами»
прогнозирования являются миграционные и дозиметрические модели, а также модели
функционирования экосистем при воздействии радиационного фактора, сопряженные с базами
данных, содержащими радиоэкологическую информацию.
При выработке формализованных представлений о закономерностях поведения природных
сообществ под воздействием радиационного фактора нельзя не учитывать следующие важные
аспекты:
 способность экосистемы в целом (и ее компонентов) к формированию комплекса
ответных реакций на внешнее воздействие, направленных на поддержание ее структуры и
функционирования;
 неопределенность
проявления
негативных
эффектов,
обусловленная
вариабельностью действующего фактора и чувствительности компонентов природной
системы.
Первый аспект, связанный с развитием процессов поражения и восстановления, диктует
необходимость изучения устойчивости экосистем и их компонентов к действию радиационного
фактора. Решение этой задачи возможно на основе анализа экспериментальных данных,
описывающих поведение рассматриваемого объекта в течение длительного времени. В случае
отсутствия возможности “отслеживания” поведения природной системы посредством наблюдений
и сбора эмпирической информации для оценки ее устойчивости используются динамические
модели.
Неопределенность ответных реакций экосистемы и ее компонентов в ответ на техногенное
воздействие обуславливает необходимость учета вероятностного аспекта при оценке и
прогнозировании
последствий
этого
воздействия.
Количественными
показателями,
характеризующими вероятности негативных эффектов, являются радиоэкологические риски.
Выбор метода оценки риска определяется, в первую очередь, степенью информационного
обеспечения показателей, необходимых для расчета. К таким показателям относятся
характеристика радиационного фактора (дозовая нагрузка) и критерий оценки риска, отражающий
чувствительность объекта к действию этого фактора.
Исследование устойчивости лесных экосистем к радиационному воздействию. Для
прогнозирования последствий острого облучения природных сообществ использованы
имитационные модели, описывающие функционирование лесных экосистем (хвойный и
смешанный лес), расположенных в регионе Южного Урала [1]. Модели включают наиболее
значимые для описания процессов лучевого поражения и восстановления лесной экосистемы
блоки – древесный, травянистый ярусы леса и всходы древесных растений.
Моделирование вторичных радиоэкологических эффектов основано на учете прямых и
обратных связей между компонентами экосистемы. Оценка параметров, отражающих влияние
ионизирующего излучения на компоненты лесной экосистемы, выполнена на основе данных,
полученных в крупномасштабных экспериментах «Экос» по острому облучению леса [2].
Анализ устойчивости лесных экосистем к действию острого облучения проводился на
основе концепции радиоэкологического сдвига [2]. С наиболее общих позиций можно выделить
два типа радиоэкологических сдвигов – экосистемный и структурный. В первом случае
происходит качественное изменение типа экосистемы в результате летального поражения
наиболее радиочувствительных видов древесных растений. В результате структурного сдвига
наблюдается смещение соотношения между конкурирующими видами древесных растений при
сохранении всей совокупности пород, формирующих древесный ярус.
Оценка последствий радиоактивного загрязнения…
1.0
1.0
0.8
0.8
0.6
Значение критерия P(D)/P
Значение критерия P(D)/P
Естественное лесовозобновление возможно за счет вновь образующихся семян и семян,
находившихся в почве до начала радиационного воздействия («банк семян»). Проведено два
варианта прогностических расчетов. При выполнении первого варианта расчетов полагалось, что
семена, находящиеся в почве, не прорастают ни при каких условиях в период после облучения.
Второй сценарий реализован с учетом прорастания семян, попавших в почву в период,
предшествующий радиационному воздействию на лесную экосистему. На рис. 1 представлены
результаты прогнозирования динамики критерия P(D)/P, представляющего отношение
продуктивности древесного яруса соснового леса после острого облучения с поглощенной дозой D
к продуктивности контрольного насаждения.
А
Б
-1
-2
-3
-4
0.4
-5
-6
-7
0.2
0.0
-1
0.6
-2
-3
-4
0.4
-5
-6
-7
0.2
0.0
0
10
20
30
40
Время после облучения, годы
50
0
10
20
30
40
Время после облучения, годы
50
Рис. 1. Динамика относительной продуктивности древесного яруса соснового леса после острого облучения
без учета (а) и с учетом (б) процессов семенного возобновления за счет «банка семян» при поглощенной
дозе: 1 – 5 Гр, 2 – 10 Гр, 3 – 15 Гр, 4 – 25 Гр, 5 – 50 Гр, 6 – 70 Гр, 7 – отсутствие облучения
Основные закономерности пострадиационной динамики соснового древостоя можно
сформулировать следующим образом:
 по истечении нескольких лет после облучения древесного яруса в дозах ниже
летальных наблюдается устойчивая тенденция восстановления его продуктивности;
 облучение соснового древостоя в летальных дозах может привести как к
устойчивому, так и неустойчивому экосистемному сдвигу в зависимости от степени
влияния экологических и радиационного факторов на всхожесть семян.
При моделировании функционирования смешанного (сосново-березового) древостоя
начальные условия задавались согласно распределениям деревьев сосны и березы по диаметрам
стволов на экспериментальном участке «Экос-2». Состав смешанного насаждения – 8С2Б (80 %
сосны и 20 % березы). В качестве критерия рассматривалось отношение продуктивности
березовой компоненты к суммарной продуктивности древесного яруса леса (Pb(D)/P(D)). Для всех
уровней поглощенных доз характер динамики этого критерия является сходным – первоначальное
увеличение этого показателя сменяется выходом на плато, что свидетельствует о формировании
устойчивой структуры древесного яруса (рис. 2).
Таким образом, облучение смешанного сосново-березового леса в сублетальных для сосны
дозах приводит к смещению соотношения между конкурирующими видами древесных растений с
установлением равновесия в течение нескольких десятков лет. Выполненные расчеты позволяют
сделать вывод о том, что конкурентное давление со стороны березовой компоненты смешанного
насаждения приводит к снижению дозы острого облучения, приводящей к гибели сосновой
компоненты древостоя.
Оценка последствий радиоактивного загрязнения…
Значение критерия Pб(D)/P(D)
1.0
0.8
0.6
0.4
-1
0.2
-2
-3
-4
0.0
0
10
20
30
40
Время после облучения, годы
50
Рис. 2. Динамика критерия, отражающего долю продуктивности березовой компоненты древесного яруса
леса с начальным составом 8С2Б при поглощенной дозе: 1 – 10 Гр, 2 – 15 Гр, 3 – 25 Гр, 4 – 50 Гр
Оценка рисков радиоактивного загрязнения луговых экосистем Семипалатинского
испытательного полигона (СИП). Ведение сельскохозяйственного производства на территории
СИП в условиях радиоактивного загрязнения обусловливает необходимость анализа
радиационных последствий для населения [3]. Перманентному воздействию ионизирующего
излучения, формируемого долгоживущими радионуклидами, подвергаются компоненты
лугопастбищных экосистем СИП. С целью сравнительной оценки радиационного воздействия на
различные категории населения и ценозообразующую компоненту этих экосистем (травянистую
растительность) рассчитаны дозовые нагрузки и радиоэкологические риски.
В качестве загрязненных территорий выбраны ареалы выпаса сельскохозяйственных
животных в районах расположения технических площадок «Опытное поле» и «Балапан». В
пределах этих ареалов расположены пастбища коллективных сельскохозяйственных предприятий,
к которым относятся хозяйства «Чаганское» (зимовка «Атомное озеро») и «Акжарское» (зимовка
«Тактайколь»). Для консервативной оценки выделены наиболее загрязненные секторы выпаса
(«Тактакойль – 1» и «Атомное озеро – 1»).
Для пастбищ четырех типов были идентифицированы распределения дозовых нагрузок на
пастухов (критическую группу) и население, подвергающееся действию дополнительного
облучения за счет употребления продукции, содержащей радионуклиды. Для этих территорий
рассчитаны распределения дозовых нагрузок на луговую растительность. Параметризация
дозиметрических моделей выполнена с использованием информации, предоставленной
Национальным ядерным центром Республики Казахстан.
В качестве норматива для населения рассматривался допустимый уровень дополнительного
облучения населения (1 мЗв в год) [4]. Поскольку в настоящее время отсутствуют законодательно
утвержденные нормативы, ограничивающие действие ионизирующего излучения на биоту, при
оценке рисков для луговой растительности использовали дозовые стандарты, приведенные в
литературе [5, 6] – 400, 100 и 10 мкГр/ч.
На рис. 3 отражены радиоэкологические риски, представляющие собой вероятности
превышения дозового норматива для различных групп населения и четырех типов пастбищ.
Максимальные риски формируются в секторе выпаса «Атомное озеро – 1» для критической
группы (пастухов), подвергающейся действию как внутреннего, так и внешнего облучения [7].
Риски для населения, не участвующего в выпасе сельскохозяйственных животных, расположены в
диапазоне (7 · 10–4 – 0,11). Аналогичные показатели для луговой растительности, рассчитанные с
использованием в качестве нормативов совокупности дозовых стандартов, являются
незначительными. Даже при использовании самого жесткого критерия (10 мкГр/ч) значения
нормативных рисков составляют 2,0 · 10–6 – 8,2 · 10–4.
Оценка последствий радиоактивного загрязнения…
1
Нормативные риски
0,1
0,01
Луговая растительность
0,001
Население
Пастухи
0,0001
0,00001
0,000001
Тактакойль
Тактакойль - 1
Атомное озеро Атомное озеро - 1
Рис. 3. Нормативные радиоэкологические риски для населения и луговой растительности, формирующиеся в
результате радиоактивного загрязнения различных территорий СИП
На основе проведенных расчетов установлено, что вероятность превышения дозового
норматива (1 мЗв/год) при получении сельскохозяйственной продукции на наиболее загрязненном
участке, прилегающем к «Атомному озеру», является существенной только для критической
группы населения, участвующей в выпасе животных. Можно сделать вывод о предпочтительности
использования вероятностных показателей для количественных радиоэкологических оценок.
Сопоставление значений вероятностных рисков с индексами радиационного воздействия [8] на
население и объекты окружающей среды демонстрирует нелинейность связи между этими
показателями, что вполне объяснимо различной степенью детализации рассматриваемых
подходов.
Сравнительная оценка последствий радиоактивного загрязнения территории СИП для
человека и ценозообразующей компоненты луговых экосистем, выполненная с учетом
неопределенности формирования дозовых нагрузок, подтверждает основное положение
антропоцентрической концепции МКРЗ: «если радиационными стандартами защищен человек, то
защищена от действия ионизирующих излучений и биота» [4].
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Спиридонов С.И., Фесенко С.В., Алексахин Р.М и др. // Радиобиология. 1989. Т. 29. Вып. 4. С. 544.
2. Спирин Д.А., Романов Г.Н., Федоров Е.А. и др. // Экология. 1988. № 4. С. 25.
3. Semiochkina N., Voigt G., Mukusheva M. et al. // Health Phys. 2004. V. 86. P. 187.
4. Алексахин Р.М., Фесенко С.В. // Радиационная биология. Радиоэкология. 2004. Т. 44. № 1. С. 93.
5. DOE Standard. A Graded Approach for Evaluation Radiation Doses to Aquatic and Terrestrial Biota.
Washington: US Department of Energy, D.C. 20585, Project number ENVR-0011. US Department of Energy, 2000.
6. Bird G., Thompson P., MacDonald C. et al.// Supporting Document for the Priority Substances List Assessment of Release of Radionuclides from Nuclear Facilities (Impact on Non-Human Biota). – Ottawa: Canadian
Nuclear Safety Commission, 2000.
7. Спиридонов C.И., Тетенькин В.Л., Мукушева М.К. и др. // Радиационная биология. Радиоэкология.
2008. Т. 48. №6. С. 705.
8. Фесенко С.В., Алексахин Р.М., Гераськин С.А. и др. // Радиационная биология. Радиоэкология. 2004.
Т. 44. № 6. С. 618.