Лабораторная работа №6. ЕСТЕСТВЕННАЯ И

ТЕХНОГЕННАЯ РАДИОАКТИВНОСТЬ ПОЧВЫ

Почва – сложная полидисперсная система, в составе которой вы­деляются следующие компоненты: обломки минералов горных пород; глинистые минералы; грубый гумус; тонкий гумус; пленки-гели, покрывающие почвенные частицы и состоящие из гидрооксидов железа, марганца и алюминия; кремниевые кислоты; органические вещества; различные соли; почвенные растворы; почвенные газы; почвенная фауна и микроорганизмы; живые корни расте­ний. Естественные и искусственные (техногенные) радионуклиды со­держатся во всех компонентах почвы в разном количестве и в разном соотношении.

Задание 6.1. Определение суммарной бета-активности почвы

Естественная радиоактивность почв – это результат длительных процессов перераспределения радионуклидов между материнской по­родой и почвой, растительностью и почвой. Естественная радиоактив­ность почвы обусловлена наличием в ней естественных радионуклидов калия-40, тория-232, урана-238, радия-226 и др. Основной вклад в радиоактивность вносит К-40 (в среднем 66% при максимуме 80%), содержание которого составляет 3% от всех радионуклидов. Вклад тория-232 составляет в среднем 5% при содержании 18,3%, а урана-238 – 2% при содержании 2,5%. В почвах Европы средняя массовая концентрация урана-238 составляет 1,5·10^-4%, тория-232 – 6,5·10^-4% и ка­лия-40 – 1,2%. Наименьшее содержание естественных радионуклидов в почве в европейской части – на севере, а максимальное – в южной части, т. е. ниже 54^о северной ши­роты, где сформировались черноземы и каштановые почвы. В Респуб­лике Беларусь максимальное содержание в почве К-40, U-238, Тh-232 в северной части, где преобладают дерново-подзолистые суглинистые почвы, развивающиеся на кислых магматических породах (гранитах). В южной части преобладают легкие дерново-подзолистые (песчаные и супесчаные) и торфяные почвы, которые сформировались на известняковых отложениях, поэтому содержание естественных ра­дионуклидов в них значительно ниже, чем в почвах северных регио­нов.

Естественная радиоактивность почв зависит от радиоактивности материнских (почвообразующих) пород, потому что минералы и частицы породы входят в скелетную часть и минеральные фракции почвы. Радиоактив­ность почвы значительно превышает радиоактивность материнской породы. Среди осадочных пород наиболее радиоактивны глины, менее активны известняки. Из вулканических пород более радиоактивны граниты, менее активны базальты. Поэтому почвы, развивающиеся на гранитах, имеют более высокую радиоактивность, чем почвы, сформи­рованные на известняках. На радиоактивность почв большое влияние оказывает естествен­ное и улучшенное плодородие почв. Установлено, что с увеличением плодородия почвы возрастает ее радиоактивность за счет повышения содержания в почве калия-40 при внесении минеральных удобрений. Максимальная естественная радиоактивность у черноземов и красноземов. Среди дерново-подзолистых почв наименьшая естественная радиоактивность у песчаных и супесчаных почв, имеющих низкое содержание глинистых минералов и калия-40.

Загрязнение почвы техногенными радионуклидами в результате катастрофы на Чернобыльской АЭС произошло крайне неравномерно. Так, загрязнение цезием-137 произошло на территории всей республики, но при этом меньше пострадала северная часть республики и значительно больше южная. Загрязнение почвы стронцием-90 имеет локальный характер и регистрируется в отдельных регионах Гомельской и Могилевской областей.

Цель работы:определить суммарную бета-активность различных типов почв Республики Беларусь.

Материалы и оборудование:бета-радиометр (КРВП-3АБ), пробы различных типов почвы.

Выполнение работы

1. Подготовьте радиометр к работе (см. работу №3 п.1–5).

2. Поочередно помещая пробы почвы в измерительную кювету, измерьте число импульсов (n_i+f) от каждой за 5 мин (i – номер пробы). Рассчитайте скорость счета от пробы почвы с фоном:

(имп/мин)

и скорость счета от пробы почвы без фона: N_i = N_i+f – N_f. Результаты измерений занесите в отчет (табл. 6.1).

3. Отложите на градуировочном графике (приложение 1) на оси абсцисс значение скорости счета от пробы почвы без фона N_i, восстановите перпендикуляр с этой точки до пере­сечения с наклонной линией на графике «прямой метод» и определите градуировочную объемную активность А_гр в Кюрина метр.

4. Рассчитайте объемную активность пробы вещества:

А_уд = А_гр · 2.

Коэффициент 2 учитывает различие энергетического спектра эталона и измеряемых радионуклидов, находящихся в исследуемой пробе вещества.

5. Переведите Кюри на литр в беккерель на литр в Бк/л с учетом того, что 1 Ки = 3,7·10¹⁰Бк. Результаты измерений и расчетов занесите в отчет (табл. 6.1).

Таблица 6.1. Суммарная бета-активность почвы

Тип почвы	Скорость счета, имп/мин	Удельная активность почвы
Ni+f	Nf	Ni	Агр	Ки/кг	Бк/кг
Дерново-подзолистая суглинистая
Дерново-подзолистая супесчаная
Дерново-подзолистая песчаная
Торфяно-болотная

6. Сделайте выводы, какие почвы имеют максимальную и минимальную удельную активность.

Задание 6.2. Определение загрязненности почвы

Сельхозугодий цезием-137

Загрязнение почвы радионуклидами характеризуется поверхностной активностью A_s, которая представляет собой активность, отнесенную к единице площади по­верхности:

,

где S – площадь поверхности, м² или км².

Данная величина встречается и под другими названиями – плотность за­грязнения поверхности радионуклидами или поверхностная концентрация. Основная единица измерения –килобеккерель на квадратный метр кБк/м², внесистемная – кюри на квадратный метр Ки/м²).

Определение запаса цезия-137 и стронция90 в почвах окультуренных сельхозугодий проводится в соответствии с "Методикой крупномасштабного агрохимического и радиологического обследования почв сельскохозяйственных угодий Республики Беларусь". В почвах естественных сельхозугодий указанная работа проводится по методике Гомельской ОПИСХ. При радиологическом контроле естественных лугов и пастбищ проводится раздельное определение содержание радионуклидов в дернине и находящейся ниже нее почве.

Почвенные образцы на сельскохозяйственных угодьях рекомендуется отбирать до начала весенних полевых работ и непосредственно перед уборкой урожая. При плотности загрязнения стронцием-90 до 11,1 кБк/м² (0,3 Ки/км²) отбирается 5 смешанных образцов на одно сельскохозяйственное предприятие, при плотности 11,1–37,0 кБк/м² (0,3–1 Ки/км²) – один смешанный образец на элементарный участок (отдельно обрабатываемый участок поля, занятый одной культурой, с типичными для данного района типами почв, элементами рельефа, сельскохозяйственного пользования), при плотности 37,0–111,0 кБк/м² (1–3 Ки/км²) – один смешанный образец на 100 га площади, свыше 111,0 кБк/м² (3 Ки/км²) – один смешанный образец на 50 га площади.

Отбор проб на пашне. Перед отбором проб проводится измерение мощности эквивалентной дозы дозиметром типа ДРГ в 5–6 точках, равномерно распределенных по площади элементарного участка на высоте 3–4 см над поверхностью почвы. На элементарном участке отбирается 10 индивидуальных проб почвы (в некоторых случаях и большего числа) из точек, равномерно распределенных по площади участка с наиболее часто встречаемыми значениями мощности дозы. Отбор проб проводят с помощью стандартного металлического кольца диаметром 140 мм и высотой 50 мм, осторожно забивая его в почву молотком до тех пор, пока верхняя кромка кольца не окажется на одном уровне с поверхностью почвы. Кольцо с почвой подкапывают лопатой, подрезают по нижней кромке пробоотборника и помещают в полиэтиленовый мешок или пленку. При отборе проб буром число уколов будет зависеть от диаметра его рабочей части. После смешивания индивидуальных проб и получения объединенной пробы из нее методом квартования составляют пробу почвы с массой не менее 2 кг. Такая проба помещается в полиэтиленовый мешок, который кладут во второй такой же мешок и заворачивают в плотную бумагу. Между пакетами вкладывается паспорт с номером пробы и указанием места отбора пробы.

На непахотных сельскохозяйственных угодьях (естественные луга и пастбища) по периметру обследуемого участка и его двум диагоналям на высоте 1 м и 3–4 см над поверхностью почвы проводится измерение мощности эквивалентной дозы дозиметром. При выборе места отбора пробы учитывается наличие травянистой растительности, отсутствие смыва или намыва почвы в месте отбора почвы, однородность, открытость и ровность поверхности, расстояние от дорог, деревьев и строений. На обследуемом участке выбирают 5 мест с наиболее часто наблюдаемыми значениями мощности дозы. Одно из них должно быть близко к центру участка, а остальные четыре – на периферии участка. Из этих мест проводится отбор проб с помощью стандартного металлического кольца (или бура), их последующая упаковка и маркировка аналогично вышеприведенной методике.

Цель работы: определить плотность загрязнения сельхозугодий цезием-137.

Материалы и оборудование: гамма-радиометр РКГ-АТ 1320А (РКГ-01); пробы почвы, отобранные в полях севооборотов на территории радиоактивного загрязнения и в Горецком районе; весы лаборатор­ные; карта радиационного загрязнения территории Могилевской и Гомельской об­ластей.

Выполнение работы

1. Подготовьте гамма-радиометр к работе.

2. Определите содержание цезия-137 пробах почвы (А_{уд.почвы}).

3. Определите плотность почвенных проб.

4. Рассчитайте поверхностную активность почвы (A_s).

Пример расчета.

Объем 1 м² пахотного слоя почвы V = 20×100×100 = 2×10⁵ см. При плотности почвы ρ = 1,3 г/см³ масса этой почвы M = ρ×V= 1,3×2×10⁵

= 2,6×10⁵ г = 260 кг.

Тогда поверхностная активность почвы А_s = А_{уд.почвы}×M.

Задание 6.3. Изучение вертикального распределения

Цезия-137 в почве

Искусственные радионуклиды поступают из атмосферы в почву с атмосферными выпадениями и под действием гравитационных сил в составе аэрозолей и частиц в растворимом и нерастворимом состоя­нии. В почве радионуклиды включаются в два основных процесса – взаимодействие с почвенно-поглощающим комплексом и вертикальная миграция по профилю почвы. Их поведение в почве обусловлено следующими взаимообрати­мыми процессами: сорбция↔десорбция, осаждение↔растворение, коагуляция↔пептизация. Среди этих процессов наибольшее влияние на поведение радионуклидов в почве оказывает сорбция. При мигра­ции радионуклидов сорбция имеет двоякое значение. Во-первых, за­крепление радионуклидов в корнеобитаемом слое почвы способствует длительному поступлению их в растения. Во-вторых, поглощение ра­дионуклидов твердой фракции почвы снижает их доступность для рас­тений и интенсивность их миграции вниз по профилю почвы.

Вертикальная миграция – это совокупность процессов, вызываю­щих перераспределения радионуклидов вглубь по профилю почвы. Перемещение радионуклидов вниз по профилю почвы изменяет их распре­деление в корнеобитаемом слое, приводит к снижению мощности дозы гамма-излучения над поверхностью почвы и к уменьшению интен­сивности выдувания ветром и вымывания водой, а также может создавать возможность загрязнения грунтовых вод. Ин­тенсивность миграции зависит от многих факторов, среди которых наиболее значимы свойства почвы и геологические условия, физико-химические свойства радионуклидов, вид биоценоза и интенсивность его обновления.

Вертикальная миграция радионуклидов осуществляется при следую­щих процессах: механический перенос на частицах почвы, диффузия свободных и адсорбированных ионов, конвективный перенос с током воды, перенос на коллоидных частицах почвы, перенос по корневым системам растений. Эти процессы неравнозначны, среди них наиболее значимы конвекция и диффузия. Конвекция – это перенос радионуклидов с вос­ходящими и нисходящими потоками жидкости или пара. Конвекция приводит к перемещению и увеличению концентрации радионуклидов в нижележащих слоях по профилю почвы. Диффузия – самопроиз­вольное выравнивание концентрации радионуклидов при соприкосно­вении их с частицами почвы. Диффузия приводит к расширению зоны распределения радионуклидов при одновременном уменьшении мак­симальной концентрации в местах скопления радионуклидов. Конвек­ция и диффузия тесно связаны с сорбцией радионуклидов. Известно, что чем прочнее сорбция, тем слабее эти процессы. Конвекция и диф­фузия характерны для водорастворимой и частично для обменной форм нахождения радионуклидов в почве. Механический перенос происходит с током воды и пыли по трещинам и разломам почвы, а также в результате деятельности человека при обработке почвы и в результате роющей деятельности почвенной фауны. Механический перенос характерен для всех форм радионуклидов. С коллоидными частицами переносятся все формы радионуклидов, включая необмен­ную и фиксированную.

Установлено, что в почвах одного типа разные радионуклиды имеют разную интенсивность миграции и соответственно разные ко­эффициенты миграции. Коэффициент миграции цезия-137 на 1-2 по­рядка ниже, чем стронция-90. Разли­чие в интенсивности миграции этих двух радионуклидов объясняется различными формами нахождения их в почве. На дерново-подзолистой почве коэффи­циент миграции цезия-137 составляет 5,4·10^-10– 5,8·10^-8 см²/сек. Миграция радионуклидов по профилю почвы происходит очень медленно.

Наиболее интенсивно миграция радионуклидов происходит на дерново- глеевых, дерново-торфянисто-глеевых и торфяно-болотных почвах, которые характеризуются высокой влажностью, низким содержанием глинистых минералов, высокой кислотностью почвенного раствора и высоким содержанием органического вещества. Высокая интенсив­ность миграции радионуклидов характерна также для почв легкого гранулометрического состава, т.е. песчаных и супесчаных почв и осушенных торфяников.

Для исследования процесса вертикальной миграции радионукли­дов необходимо отбирать тонкие слои почвы. Для этого используют специальное приспособление – пробоотборник. Оно представляет собой трехсторонний лоток, срезанный с двух сторон. Приспособление изготовлено из единой стальной полосы тол­щиной 0,5 см, которая изогнута в двух местах под прямым углом так, что образуется прямоугольный лоток сечением 150 см². Продольные края отогнутых стенок заточены. На обеих стенках лотка, имеющих заостренные кромки, сделаны параллельные прорези – десять проре­зей, начиная от верхнего среза, с шагом в 1 см, одна через 2 см, одна через 3 см и две с шагом 5 см. Общая длина лотка – 25 см. (допустимы другие размеры данного приспособления).

Процедура отбора проб почвы с помощью описанного пробоотбор­ника следующая: стенка почвенного разреза или прикопки выравнива­ется перпендикулярно к поверхности почвы (проверка отвесом), зачи­щается острой лопатой. Пробоотборник прикладывается к вертикаль­ной стенке разреза так, чтобы его верхний срез совпадал с поверхно­стью почвы, а режущие кромки плотно крепились к стенке разреза. Пробоотборник вдавливают в почву до прикосновения внутренней стенки пробоотборника к вертикальной плоскости почвенного разреза. Отбор проб почвы начинают с более чистых слоев с нужной глубины. Для этого на вертикальной стенке почвенного разреза ниже установ­ленного пробоотборника линейкой делают разметку по 5 или 10 см до требуемой глубины. С помощью широкого ножа и острой лопаты де­лается аккуратный подрез под нижней отметкой и подкоп, который больше, чем сечение пробоотборника. В подкоп подставляется ковш, в который с помощью острых ножа и лопатки размером 10´15 см отбирают пробы почвы толщиной 5 или 10 см и площадью 150 см² до нижнего края установленного пробоотборника. Затем пробоотборник извлекают из стены почвенного разреза и, используя имеющиеся прорези, почву режут на слои соответствующего размера и отбирают пробы, начиная со слоев 5 см.

Упаковка пробпроизводится в два полиэтиленовых пакета. На каждую пробу заполня­етсяпаспорт по следующей форме: число, месяц, год, область, район, населенный пункт, номер репера, глубина отбора пробы (см), мощность дозы (мЗв/час) на высоте 1 м, мощность дозы (мЗв/час) на высоте 0,1, организация, ФИО проводившего отбор. Пас­порт пробы помещается в упаковке между пакетами в развернутом виде лицевой сторо­ной вверх.

Для определения содержания цезия-137 в образцах почвы их вы­сушивают, удаляют различные примеси, просеивают через сито.

Цель работы:изучить распределения цезия-137 и калия-40 по верти­кальному профилю почвы естественного лугового фитоценоза.

Материалы и оборудование: гамма-радиометр РКГ-AT1320 (РКГ-01), пробы почвы, отобранные через 1 см на естественном луговом фитоценозе, весы лабораторные.

Выполнение работы

1. Подготовьте гамма-радиометр к работе.

2. Определите содержание цезия-137 и калия-40 в пробах почвы. Результаты занесите в отчет по работе (табл. 6.2).

Таблица 6.2.Вертикальная миграция цезия-137 и калия-40 в естественном