鈾尾礦庫(kù)區(qū)稻田土中放射性核素的空間分布和放射性水平評(píng)價(jià)

劉媛媛，張春艷，魏強(qiáng)林，郭亞丹，高柏，周維博

1. 長(zhǎng)安大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，西安 710054 2. 長(zhǎng)安大學(xué)旱區(qū)地下水文與生態(tài)效應(yīng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710054 3. 東華理工大學(xué)放射性地質(zhì)與勘探技術(shù)國(guó)防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室，南昌 330013 4. 東華理工大學(xué)水資源與環(huán)境工程學(xué)院，南昌 330013

核能發(fā)展離不開(kāi)鈾礦石的開(kāi)采，由此引起的環(huán)境問(wèn)題也越來(lái)越突出。據(jù)統(tǒng)計(jì)，1998—2002年，世界范圍內(nèi)礦山開(kāi)采、水冶和尾礦中釋放的放射性核素導(dǎo)致公眾所受的集體有效劑量約為0.238人·Sv·GW-1·y-1[1]，而我國(guó)鈾礦冶系統(tǒng)遠(yuǎn)大于這個(gè)值。露天存放的各種放射性廢物礦石在降雨等淋濾作用下釋出核素進(jìn)入土壤，影響其周邊土壤環(huán)境。通過(guò)不斷下滲或水力聯(lián)系進(jìn)入地下水和地表水，同時(shí)可能給周邊生態(tài)安全造成危害。

目前，國(guó)內(nèi)外開(kāi)展礦區(qū)放射性核素在土壤中分布的研究主要集中在野外調(diào)查與試驗(yàn)、室內(nèi)實(shí)驗(yàn)和計(jì)算機(jī)模擬研究3個(gè)方面[2-6]。我國(guó)科研人員利用野外試驗(yàn)場(chǎng)先后開(kāi)展了238Pu、90Sr等在含水層介質(zhì)和黃土以及85Sr、134Cs、60Co在非飽和黃土中的遷移研究，為我國(guó)制定相關(guān)的法律法規(guī)提供了科學(xué)依據(jù)，也為安全處理和處置放射性廢物奠定了基礎(chǔ)，同時(shí)為核素的填埋選址提供了大量的參考數(shù)據(jù)。朱君等[7]等基于室內(nèi)土柱法建立了3種不同噴淋強(qiáng)度下放射性核素在砂土介質(zhì)中的動(dòng)態(tài)土柱遷移試驗(yàn)，對(duì)不同噴淋強(qiáng)度對(duì)核素90Sr在土壤中遷移的影響進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)噴淋強(qiáng)度對(duì)分配系數(shù)影響不大。閆遜[8]對(duì)鈾尾礦中土壤環(huán)境放射性核素濃度的分布及其對(duì)土壤微生物多樣性的影響進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)隨著放射性核素的升高，土壤質(zhì)量急劇惡化。馬盼軍等[9]等采用便攜式XRF元素分析儀對(duì)某鈾尾礦庫(kù)周邊土壤中鈾元素含量進(jìn)行了原位測(cè)試分析，發(fā)現(xiàn)該鈾尾礦庫(kù)周邊土壤中鈾元素含量的平均值分別是中國(guó)及其所在省土壤中鈾元素含量背景值的4倍和2.3倍，而樣品中鈾元素含量變異系數(shù)達(dá)到61.84%，說(shuō)明該鈾尾礦庫(kù)對(duì)其周邊土壤產(chǎn)生了一定的污染效應(yīng)。孔秋梅等[10]對(duì)湖南某鈾尾礦庫(kù)周邊3條土壤剖面的鈾分布特征及其賦存形態(tài)進(jìn)行研究，并討論了土壤中外源鈾的輸入機(jī)制。發(fā)現(xiàn)鈾尾礦庫(kù)對(duì)周邊土壤已產(chǎn)生了鈾污染，其中，近源土壤剖面遭受了重度鈾污染，隨著遠(yuǎn)離污染源，土壤的鈾污染程度呈降低趨勢(shì)。

由于微生物活性等原因，不同濃度區(qū)塊表層土壤質(zhì)量均好于中低層土壤。Schlenker等[11]選擇德國(guó)4個(gè)森林的不同土壤類型和植被土壤作為研究對(duì)象，分析包括人造的、宇宙成因的和天然的核素多的放射性同位素，發(fā)現(xiàn)研究區(qū)土壤中的放射性核素遷移受到該土層化學(xué)條件的影響。Hancocka等[12]對(duì)澳大利亞北部的一個(gè)前鈾礦的修復(fù)情況進(jìn)行評(píng)估和核素遷移研究，發(fā)現(xiàn)尾礦儲(chǔ)存庫(kù)非常穩(wěn)定，但支流的沉積物濃度超過(guò)建議水平。Thorring等[13]發(fā)現(xiàn)在表層土壤中，酸雨促進(jìn)放射性核素銫的遷移，較深處土壤中，降水的化學(xué)成分對(duì)放射性核素銫遷移的影響不明顯。這些研究表明，不同礦區(qū)周邊土壤的核素分布、遷移和放射性水平差異較大，受礦區(qū)類型、土壤環(huán)境等多種因素的影響。受各種條件的限制，關(guān)于鈾尾礦庫(kù)區(qū)多種放射性核素復(fù)合污染的空間分布的研究還比較少，有必要對(duì)尾礦庫(kù)周邊土壤中長(zhǎng)壽命天然放射性核素238U、226Ra、232Th、40K對(duì)環(huán)境造成的輻射影響進(jìn)行具體研究。

本文以我國(guó)南方某鈾尾礦庫(kù)下游稻田土壤中的典型放射性核素為研究對(duì)象，使用統(tǒng)計(jì)方法得出稻田土壤1 m深度范圍內(nèi)放射性核素的空間分布圖，結(jié)合核素性質(zhì)以及土壤環(huán)境分析其比活度差異來(lái)源，最后利用γ輻射吸收劑量率和年有效劑量法對(duì)土壤環(huán)境放射性水平進(jìn)行計(jì)算，為準(zhǔn)確評(píng)價(jià)尾礦庫(kù)對(duì)周邊居民和環(huán)境造成的輻射影響和放射性核素在周邊稻田植物根系中的遷移機(jī)理研究提供基礎(chǔ)資料。

1 材料與方法(Materials and methods)

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)所在鈾礦山位于中生代贛-杭火山巖相山火山盆地，屬我國(guó)典型的火山巖型鈾礦床。該尾礦庫(kù)周邊三面環(huán)山，山谷型，庫(kù)內(nèi)儲(chǔ)存大量尾礦砂，研究區(qū)位于此庫(kù)下游。該地區(qū)屬于亞熱帶濕潤(rùn)季風(fēng)氣候，日照充足，雨量充沛。地表水系豐富，多條河流交錯(cuò)。巖性主要為下白堊統(tǒng)鵝湖嶺組碎斑熔巖。地下水主要受斷裂構(gòu)造和基巖控制，以基巖裂隙水為主，其次為風(fēng)化帶網(wǎng)狀裂隙水和第四系孔隙水。地下水的主要補(bǔ)給來(lái)源是大氣降水和地表水，排泄方式為地表徑流、地下徑流和泉等多種方式混合。

1.2 樣品采集與檢測(cè)

選取鈾尾礦庫(kù)下游稻田土壤作為研究對(duì)象，根據(jù)前期勘查結(jié)果，研究區(qū)內(nèi)布設(shè)8個(gè)采樣點(diǎn)(圖1)?，F(xiàn)場(chǎng)采樣時(shí)每個(gè)樣點(diǎn)沿垂向剖面每隔20 cm取樣，受現(xiàn)場(chǎng)取樣條件和土壤環(huán)境限制，除了樣點(diǎn)S4和S8，其他樣點(diǎn)在距離地表50 cm附近有水浸出，無(wú)法繼續(xù)取得適宜土樣，故共獲取24組土樣。所有樣品采集后立即使用采樣袋塑封并命名，在24 h內(nèi)運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)分析。

室內(nèi)檢測(cè)在東華理工大學(xué)分析測(cè)試研究中心完成，利用美國(guó)ORTEC低本底高純鍺(HPGe) γ譜儀進(jìn)行放射性核素活度測(cè)量。能量刻度源用152Eu和60Co片狀標(biāo)準(zhǔn)源(不確定度均為2%)。土壤粉末標(biāo)準(zhǔn)源(源凈重均100 g)：鈾鐳平衡系粉末放射源(GBW04305a)，其中238U活度為2 087.459 Bq，226Ra活度為2 070.80 Bq；釷粉末放射源(GBW04308)，232Th活度為1 061.635 Bq；40K粉末放射源(GBW04327)，40K的活度為85.156 Bq。以上標(biāo)準(zhǔn)源均來(lái)自中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院。

圖1 研究區(qū)土壤采樣點(diǎn)分布圖Fig. 1 Distribution of soil sampling sites in the study area

實(shí)驗(yàn)按照土壤中放射性核素的γ能譜分析方法[14](GB/T 11743—2013)中規(guī)定的相對(duì)比較法求解樣品中放射性核素比活度，并分析擴(kuò)展不確定度。將樣品烘干、磨碎、過(guò)0.178 mm孔徑篩。每個(gè)樣品稱取100 g放入γ能譜分析專用聚乙烯樣品盒，用蠟密封后存放4周，使放射系中鈾、鐳和它們的短壽命子體基本達(dá)到平衡。低本底HPGe γ譜儀經(jīng)刻度后在相同條件下依次測(cè)量空樣品盒、土壤粉末標(biāo)準(zhǔn)源和土壤樣品能譜各8 h，利用儀器自帶解譜軟件分別求出238U、226Ra、232Th子體中γ射線發(fā)射幾率比較大的92.6 KeV(234Th)、352 KeV(214Pb)、911.1 KeV(228Ac)特征峰和40K本身1 460.8 KeV特征峰的凈峰面積計(jì)數(shù)(將空樣品盒測(cè)量值作為本底計(jì)數(shù))。根據(jù)測(cè)量時(shí)間，通過(guò)相對(duì)比活度法得到土壤238U、226Ra、232Th和40K比活度。根據(jù)擴(kuò)展不確定度公式求得高純鍺探測(cè)器測(cè)量土壤樣品238U、226Ra、232Th和40K的擴(kuò)展不確定度均分別小于4.01%、4.22%、4.04%和4.20%，滿足GB/T 11743—2013中擴(kuò)展不確定度鈾小于20%，鐳釷鉀小于10%的要求。

1.3 數(shù)據(jù)處理

使用數(shù)據(jù)處理的方法對(duì)核素含量進(jìn)行描述性統(tǒng)計(jì)(表1)和相關(guān)分析(表2)，統(tǒng)計(jì)值包括平均值、峰度、偏度、最大值、最小值、標(biāo)準(zhǔn)偏差。使用Surfer軟件繪制表層土壤中核素含量的空間分布特征圖。

采用γ輻射吸收劑量率、年有效劑量來(lái)進(jìn)行土壤環(huán)境放射性水平評(píng)價(jià)。假定放射性核素在地面土壤中的分布是均勻的，一般認(rèn)為無(wú)限大，且每個(gè)放射系列均為平衡狀態(tài)。根據(jù)樣品土壤226Ra、232Th和40K的放射比活度，由Beck公式(1)得到離地面距離為1 m高處γ輻射吸收劑量率的公式[15]為：

D=aRa×QRa+aTh×QTh+aK×QK

(1)

式中：D為1 m高處γ射線的空氣吸收劑量率，單位為nGy·h-1；aRa、aTh、aK分別是鐳、釷、鉀的換算系數(shù)，各自為0.427、0.662和0.043 nGy·kg·Bq-1·h-1；QRa、QTh、QK分別表示土壤中226Ra、232Th、40K的放射性比活度(Bq·kg-1)。

年有效劑量率是評(píng)價(jià)放射性核素γ輻射外照射的另一個(gè)重要指標(biāo)，可用公式(2)進(jìn)行計(jì)算[16]：

Daedr=D×8760×a1×a2×10-3

(2)

式中：Daedr為年有效劑量率，μSv·y-1；a1(0.2)是室外居留因子；a2(0.7 Sv·Gy-1)是大氣中吸收劑量轉(zhuǎn)化成年有效劑量的換算系數(shù)。

2 結(jié)果與討論(Results and discussion)

2.1 土壤中典型放射性核素比活度之間的差異分析

所有土樣中238U、226Ra、232Th、40K 4種核素均被檢出。根據(jù)樣品所在位置(表層或剖面)將樣品分成2組分別研究，統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表1?？梢钥闯觯谕寥辣韺雍推拭?，226Ra和40K的均值、最大比活度都比232Th和238U高。據(jù)顯示，在硫酸浸出的鈾水冶廠，礦石中的226Ra只有1%進(jìn)入溶液，99%都存在于尾礦中[17]，在長(zhǎng)期的風(fēng)化氧化作用下殘存富集在土壤中。而40K除了在土壤中的天然本底較高外，影響40K比活度高的因素還有可能與稻田常年施加鉀肥有關(guān)，因此樣品中檢出的226Ra和40K的均值較高。

表層土壤和剖面上，226Ra和40K標(biāo)準(zhǔn)差和變異系數(shù)都比232Th和238U高，說(shuō)明40K和226Ra的比活度分布比232Th和238U離散程度大，樣點(diǎn)分布更不均勻。表層土壤中，238U、40K、226Ra、232Th這4種核素比活度的峰度均小于3，說(shuō)明其比活度分布比正態(tài)分布平坦。4種核素偏度均為正值，且接近1，說(shuō)明數(shù)據(jù)分布形態(tài)為右偏，即右端有較多的極端值。

表1 土壤中的放射性核素比活度統(tǒng)計(jì)Table 1 The statistics of radionuclide specific activity in the soil

圖2 樣點(diǎn)剖面S4放射性核素比活度隨深度變化示意圖Fig. 2 The change of radionuclide specific activity with the depth in profile S4

圖3 樣點(diǎn)剖面S8放射性核素比活度隨深度變化示意圖Fig. 3 The change of radionuclide specific activity with the depth in profile S8

與江西省背景值比較，表層土壤中238U、226Ra、232Th、40K的平均值分別是背景值的1.53倍、11.47倍、0.92倍和1.08倍。除了226Ra比活度超出當(dāng)?shù)乇尘爸递^多，其他3種核素與背景值相差不大。垂向剖面上，238U、226Ra、232Th、40K的平均值分別是背景值的1.66倍、8.74倍、1.06倍和1.11倍。同樣，226Ra比活度超出當(dāng)?shù)乇尘爸递^多，其他3種核素與背景值相當(dāng)，從而可推斷出該區(qū)域氡氣(226Ra的衰變子體)含量較高，有待進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)氡析出率的研究。

2.2 土壤剖面上放射性核素比活度的分布

由表1看出，剖面土壤中，40K和226Ra比活度的標(biāo)準(zhǔn)差分別為0.594和0.525，變異系數(shù)為0.866和1.136，高出238U和232Th較多，說(shuō)明研究區(qū)內(nèi)40K和226Ra的比活度比232Th和238U離散程度大，樣點(diǎn)差異性更大。選取具有完整土樣點(diǎn)的S4和S8兩處進(jìn)行垂向分布特征研究，其垂向剖面上的比活度變化見(jiàn)圖2和圖3?？傮w上，2個(gè)樣點(diǎn)剖面上4種放射性核素含量均有沿深度降低的趨勢(shì)，這種縱向變化說(shuō)明核素具有一定的遷移和富集性，但其程度大小存在差異，這是因?yàn)楹怂剡w移受其自身以及土壤的理化性質(zhì)的影響，不同土壤對(duì)放射性核素的吸附、富集作用不同。由圖3可知，土壤表層至20 cm內(nèi)出現(xiàn)核素比活度高值，現(xiàn)場(chǎng)采樣發(fā)現(xiàn)，表層土壤顏色較其他位置偏黑，有機(jī)質(zhì)含量較高，會(huì)產(chǎn)生腐殖質(zhì)對(duì)鈾的吸附和還原作用，使得此點(diǎn)核素比活度整體偏高。樣點(diǎn)S4剖面處地表以下80 cm處核素含量達(dá)到最低，樣點(diǎn)S8剖面地表以下100 cm處出現(xiàn)低值，說(shuō)明越往土壤深部，放射性核素比活度急劇降低。

比較238U在2個(gè)剖面的比活度發(fā)現(xiàn)：地表以下40 cm處238U比活度達(dá)到最高，說(shuō)明其遷移變化特征基本相同，核素自身性質(zhì)是影響其遷移富集的主要因素。由于土壤表層的氧化環(huán)境利于鈾的遷移，還原環(huán)境使得核素鈾富集[19]，使得238U比活度在表層以下存在高值。40K在表層土壤中比活度最高，淺部急劇下降，到40 cm深度處與背景值相當(dāng)。這主要是由于稻田土中會(huì)施加化肥而含鉀，導(dǎo)致其淺部40K含量高出地下許多，垂向遷移能力較弱。除此，從地表以下40 cm開(kāi)始，238U和232Th變化趨勢(shì)大體一致。比較4種放射性核素可以看出，鐳的變化最沒(méi)有規(guī)律性，樣點(diǎn)間差異最大，與統(tǒng)計(jì)分析得出的結(jié)論一致。

2.3 土壤中核素空間分布與相關(guān)性分析

圖4為研究區(qū)平面上4種核素的空間分布圖。可以看出，平面上，研究區(qū)土壤中4種放射性核素的比活度均呈現(xiàn)北高南低的變化趨勢(shì)，最高點(diǎn)在研究區(qū)北邊樣點(diǎn)S1或S2處，這可能與該水處理廠流出的水不斷滲入稻田土壤有關(guān)。現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，雖然此礦山已停止開(kāi)采多年，但是水處理廠處于運(yùn)作狀態(tài)，稻田正好位于處理廠的南邊位置，導(dǎo)致樣點(diǎn)S1和S2容易積累較高的放射性核素。從圖4還可以看出，232Th和40K在平面上的分布特征較相似，且在尾礦庫(kù)周邊比活度較低，說(shuō)明232Th、40K的遷移特征一致。比較4種核素的平面分布圖還可以看出232Th、40K比238U、226Ra遷移性差，這與垂向剖面上的結(jié)論238U比40K遷移速率快一致。

注：**表示在0.01水平(雙側(cè))上顯著相關(guān)。

Note：**denotes significant correlation at the 0.01 level (bilateral).

表3 放射性核素的空氣中γ輻射吸收劑量率和年有效劑量率Table 3 The γ radiation absorbed dose rate and annual effective dose rate of radionuclides in the air

注： S1-1～S8-1表示S1～S8每個(gè)樣點(diǎn)的表層土。

Note： S1-1 - S8-1 denotes surface soil sampled from site S1-S8.

為了直觀簡(jiǎn)明地說(shuō)明這4種核素的來(lái)源和聯(lián)系，計(jì)算放射性核素兩兩之間的皮爾遜相關(guān)系數(shù)，結(jié)果見(jiàn)表2?？梢钥闯?，4種核素之間，232Th和40K的相關(guān)性最強(qiáng)，它們之間呈顯著的正相關(guān)性，皮爾遜系數(shù)達(dá)到0.849。說(shuō)明核素232Th和40K的地球化學(xué)性質(zhì)相似，存在相同的遷移特征和富集特征，這與平面分布特征得出的結(jié)論完全一致。其次，238U和232Th，238U和40K之間也存在一定的正相關(guān)性，皮爾遜系數(shù)為0.556和0.552，說(shuō)明238U與232Th、40K的分布特征與遷移性也存在一定的相似性。

2.4 土壤環(huán)境放射性水平

對(duì)每個(gè)樣點(diǎn)的表層土S1-1～S8-1進(jìn)行了γ輻射吸收劑量率和有效劑量率的計(jì)算，結(jié)果如表3所示。由表3可知，研究區(qū)土壤放射性在地表1 m高處產(chǎn)生的γ輻射吸收劑量率為67.024～878.708 nGy·h-1，均值為361.443 nGy·h-1，均值高出全國(guó)和世界平均水平的3倍。其中，77.8%樣點(diǎn)超出全國(guó)和世界水平。由此可見(jiàn)，研究區(qū)內(nèi)礦石賦存有較多的放射性核素故輻射吸收劑量率較高。除此，研究區(qū)土壤放射性的年有效劑量率為82.198～1 077.648 μSv·y-1，平均值為443.274 μSv·y-1，小于聯(lián)合國(guó)原子輻射效應(yīng)科學(xué)委員會(huì)(UNSCEAR)推薦的平均年有效劑量率460 μSv·y-1[21]，同時(shí)低于全國(guó)年有效劑量率的推薦背景值。根據(jù)采樣點(diǎn)有效劑量率值可看出，2個(gè)樣點(diǎn)的年有效劑量率高出全國(guó)推薦背景值，3個(gè)樣點(diǎn)高出國(guó)際推薦背景值。所以，研究區(qū)存在年有效劑量率超出背景水平的區(qū)域，有待進(jìn)一步深入研究。根據(jù)研究區(qū)地質(zhì)資料可知，研究區(qū)屬于酸性花崗巖，其放射性水平本身較高，這可能導(dǎo)致研究區(qū)輻射本底水平較高。

綜上所述：本文研究了某鈾尾礦庫(kù)下游稻田土壤中放射性核素238U、226Ra、232Th、40K的空間分布特征，并采用γ輻射吸收劑量率和年有效劑量法進(jìn)行土壤環(huán)境放射性水平評(píng)價(jià)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，典型核素238U、226Ra、232Th、40K放射性比活度差異較大。226Ra含量超出當(dāng)?shù)乇尘爸递^多，其他3種核素與背景值相差不大。說(shuō)明研究區(qū)土壤中的典型放射性核素的比活度未受到外界的強(qiáng)烈影響。垂向上，238U、40K、226Ra、232Th含量均有沿深度總體降低的趨勢(shì)。其高值出現(xiàn)在土壤表面，地表以下80 cm處開(kāi)始核素含量降低，這可能與土壤的有機(jī)質(zhì)含量等性質(zhì)有關(guān)。比較4種放射性核素垂向遷移特征，鐳的變化最沒(méi)有規(guī)律性，樣點(diǎn)間差異最大，與統(tǒng)計(jì)分析得出的結(jié)論一致。總體而言，232Th、40K的遷移性較差。除此，研究區(qū)土壤年有效劑量率平均值小于聯(lián)合國(guó)原子輻射效應(yīng)科學(xué)委員會(huì)(UNSCEAR)和全國(guó)年有效劑量率的推薦背景值。但是，γ輻射吸收劑量率均值高出全國(guó)和世界平均水平的3倍。說(shuō)明研究區(qū)放射性水平較高。