中南地區(qū)鈾礦土壤-農(nóng)作物系統(tǒng)天然核素轉(zhuǎn)移系數(shù)研究

程文娟，吳 冬，詹樂音，李 巖，張神洲，岳啟建，黃曉峰

(1.中核第四研究設計工程有限公司，河北 石家莊 050021；2.湖南省核工業(yè)地質(zhì)局三一一大隊，湖南 長沙 410007；3.核工業(yè)二三○研究所，湖南 長沙 410007；4.湖南省核工業(yè)中心實驗室，湖南 長沙 410000)

在鈾礦生產(chǎn)建設項目和退役治理項目的輻射環(huán)境評價工作中，關鍵居民組所受劑量模式估算是其中的重要環(huán)節(jié)之一。輻射所致個人劑量的主要途徑有氡及其子體吸入、γ外照射和食入內(nèi)照射等,對食入內(nèi)照射所致個人劑量估算時，土壤-農(nóng)作物系統(tǒng)天然核素轉(zhuǎn)移系數(shù)(TF)是重要參數(shù)之一[1]58。

《放射生態(tài)學轉(zhuǎn)移參數(shù)手冊》收集整理了核工業(yè)廠礦歷年現(xiàn)場環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)，進行統(tǒng)計分析和數(shù)據(jù)配對，并根據(jù)轉(zhuǎn)移系數(shù)的概率分布特征，按南北方地區(qū)計算了土壤-農(nóng)作物轉(zhuǎn)移系數(shù)。該手冊選取1985—2002年的數(shù)據(jù)，推薦的TF值范圍大(10-5～10-2)，使用時代表性不強。鑒于此，對中南地區(qū)部分鈾礦所在地對照點、環(huán)境敏感點、覆蓋治理廢礦(石)堆及尾渣堆覆土層及其下方農(nóng)田等處土壤-農(nóng)作物系統(tǒng)進行采樣，分析其中的天然U、226Ra含量，研究該地區(qū)土壤-農(nóng)作物系統(tǒng)天然核素轉(zhuǎn)移系數(shù)等問題。

1 材料與方法

1.1 采樣種類、地點

按照《鈾礦冶輻射環(huán)境監(jiān)測規(guī)定》(GB 23726—2009)[2]6、《環(huán)境核輻射監(jiān)測規(guī)定》(GB 12379—90)[3]6、《輻射環(huán)境監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》(HJ 61—2021)[4]29等相關要求，對中南地區(qū)已退役治理鈾廢礦(石)堆及尾渣堆所在地對照點、環(huán)境敏感點、覆蓋治理工程覆土層、下方農(nóng)田等處土壤-農(nóng)作物系統(tǒng)進行采樣。對照點選取在各鈾礦床(點)上風向3 km處，敏感點選取在距鈾廢礦(石)堆及尾渣堆最近的居民點，距離為0.01～2.05 km，平均距離0.32 km。

本次采樣范圍涉及中南地區(qū)湖南、廣西、江西、湖北4省26縣40個鈾礦床(點)，共采集薯類(塊莖)、蔬菜、糧食(谷物)等3大類154個樣品[5]1476，見表1。

表1 中南地區(qū)已退役治理鈾廢礦(石)堆及尾渣堆處采集的樣品Table 1 Samples collected from decommissioned uranium waste mines (rocks) and tailings piles in the Central and South China

1.2 前處理方法

分別由湖南省核工業(yè)中心實驗室、核工業(yè)二三○研究所對采集的土壤及農(nóng)作物樣品進行分析測試和平行監(jiān)測。樣品前處理方法：1)土壤樣品除去砂石、雜草等異物，置于搪瓷盤中攤開晾干，碾碎、混勻、縮分，再次碾碎過120目篩后進行分析測試；2)農(nóng)作物樣品除去泥土、取可食用部分用水沖洗，晾干表面洗滌水，稱重后切成碎片或碎屑放在搪瓷盤內(nèi)攤開，于干燥箱內(nèi)105 ℃烘干保存，把烘干樣放入蒸發(fā)皿中，加熱使之充分炭化；3)將炭化后的樣品移入馬弗爐內(nèi)進行灰化。

1.3 監(jiān)測方法

土壤及農(nóng)作物樣品由湖南省核工業(yè)中心實驗室進行測試，由核工業(yè)二三○研究所進行平行監(jiān)測，測試項目為天然U、226Ra。

土壤樣品中天然U測定方法[6]2：用氫氟酸、硝酸和高氯酸在電熱板上溶解樣品，蒸發(fā)冒煙趕盡氫氟酸，用逆王水提取，定容搖勻。預熱離子體質(zhì)譜儀，用質(zhì)譜儀調(diào)諧溶液對儀器調(diào)諧，滿足分析測試要求后，用ICP-MS內(nèi)標法進行分析測定。

土壤樣品中226Ra測定方法[7]3：將制備好的樣品裝到70 mm×75 mm的聚乙烯樣品盒里，樣品壓實裝滿，放置14 d后將樣品放到高純鍺γ譜儀探頭上進行測量。

農(nóng)作物樣品中天然U采用ICP-MS內(nèi)標法進行測定[8]85。

農(nóng)作物樣品中226Ra測定方法[9]3：食品灰經(jīng)堿熔融，用鹽酸溶解水浸取后的不溶物，以鉛、鋇為載體，用硫酸鹽沉淀濃集鐳；將得到的沉淀用乙二胺四乙酸二鈉堿性溶液溶解后封存至擴散器，以射氣法測量222Rn，計算226Ra放射性活度濃度。

2 試驗結(jié)果及討論

2.1 對照點

對照點土壤及作物籽實部分的天然U、226Ra含量，監(jiān)測結(jié)果如圖1～2所示。土壤天然U質(zhì)量分數(shù)為2.78～13.66 mg/kg、算術(shù)平均值(以下簡稱平均值)為6.41 mg/kg，與所在市域本底質(zhì)量分數(shù)2.00～26.1 mg/kg、平均值9.43 mg/kg相比，屬同一水平。土壤226Ra比活度為26.82～219.23 Bq/kg、平均值為117.65 Bq/kg，與所在市域比活度26.1～199 Bq/kg、平均值119.98 Bq/kg相比，基本屬同一水平。作物籽實天然U質(zhì)量分數(shù)為0.000 2～0.012 6 mg/kg、平均值為0.002 8 mg/kg，作物籽實226Ra比活度為0.010～0.31 50 Bq/kg、平均值為0.082 8 Bq/kg。

圖1 對照點土壤及作物籽實天然U監(jiān)測結(jié)果Fig.1 Monitoring results of natural U in soil and crop seeds at the control point

圖2 對照點土壤及作物籽實226Ra監(jiān)測結(jié)果Fig.2 Monitoring results of 226Ra in soil and crop seeds at the control point

2.2 環(huán)境敏感點

敏感點(最近居民點)土壤及作物籽實的天然U、226Ra含量監(jiān)測結(jié)果如圖3～4所示。土壤天然U質(zhì)量分數(shù)為2.91～34.44 mg/kg、平均值為13.70 mg/kg；與對照點U質(zhì)量分數(shù)相比，略高。土壤226Ra比活度為39.75～416.33 Bq/kg、平均值為194.62 Bq/kg；與對照點比活度相比，略高。作物籽實天然U質(zhì)量分數(shù)為0.000 1～0.017 2 mg/kg、平均值為0.002 4 mg/kg；與對照點U質(zhì)量分數(shù)相比，屬同一水平。作物籽實226Ra比活度為0.012～0.411 5 Bq/kg、平均值為0.097 8 Bq/kg；與對照點226Ra比活度相比，屬同一水平。

圖3 敏感點土壤及作物籽實天然U監(jiān)測結(jié)果Fig.3 Monitoring results of natural U in soil and crop seeds at sensitive points

圖4 敏感點土壤及作物籽實226Ra監(jiān)測結(jié)果Fig.4 Monitoring results of 226Ra in soil and crop seeds at sensitive points

2.3 覆蓋治理廢礦(渣)堆

部分鈾礦地處人口稠密區(qū)，人多地少，居民在鈾礦周圍進行了作物種植，對40個鈾礦床(點)廢礦(石)堆及尾渣堆覆土層及作物籽實核素含量、廢礦(渣)堆下方緊鄰農(nóng)田的土壤及作物籽實核素含量等進行了監(jiān)測分析。

2.3.1 覆土層

礦(石)堆及尾渣堆覆土層及作物籽實核素含量監(jiān)測分析結(jié)果如圖5～6所示。覆土層土壤天然U質(zhì)量分數(shù)為6.02～721.43 mg/kg、平均值為58.13 mg/kg；與對照點天然U質(zhì)量分數(shù)相比，較高。土壤226Ra比活度為134.19～5 903.39 Bq/kg、平均值為646.69 Bq/kg；與對照點比活度相比，較高。廢礦(石)堆及尾渣堆上的主要作物品種為薯類、蔬菜、谷物，作物籽實天然U質(zhì)量分數(shù)為0.000 1～0.020 2 mg/kg、平均值為0.001 9 mg/kg；與對照點天然U質(zhì)量分數(shù)相比，屬于同一水平。作物籽實226Ra比活度為0.017 0～0.636 0 Bq/kg、平均值為0.142 5 Bq/kg；與對照點比活度相比，偏高。

圖5 覆蓋層土壤及作物籽實天然U監(jiān)測結(jié)果Fig.5 Monitoring results of natural U in overlay soil and crop seeds

圖6 覆蓋層土壤及作物籽實226Ra監(jiān)測結(jié)果Fig.6 Monitoring results of 226Ra in overlay soil and crop seeds

2.3.2 下方農(nóng)田

下方緊鄰農(nóng)田的土壤及作物籽實核素含量監(jiān)測結(jié)果如圖7～8所示。農(nóng)田土壤天然U質(zhì)量分數(shù)為2.37～70.79 mg/kg、平均值為22.46 mg/kg；與對照點天然U質(zhì)量分數(shù)相比，較高。土壤226Ra比活度為41.81～729.08 Bq/kg、平均值為274.06 Bq/kg；與對照點比活度相比，較高。作物籽實天然U質(zhì)量分數(shù)為0.000 1～0.070 1 mg/kg、平均值為0.003 5 mg/kg；與對照點天然U質(zhì)量分數(shù)相比，屬于同一水平。作物籽實226Ra比活度為0.012 0～6.190 Bq/kg、平均值為0.239 4 Bq/kg；與對照點226Ra比活度相比，偏高。

圖7 下方農(nóng)田土壤及作物籽實天然U監(jiān)測結(jié)果Fig.7 Monitoring results of natural U in farmland soil and crop seeds below

圖8 下方農(nóng)田土壤及作物籽實226Ra監(jiān)測結(jié)果Fig.8 Monitoring results of 226Ra in farmland soil and crop seeds below

2.4 放射性衛(wèi)生評價

《食品中放射性物質(zhì)限制濃度》(GB 14882—1994)[10]2規(guī)定了主要食品中放射性物質(zhì)的限制濃度，其中，糧食類、薯類、蔬菜類中天然U的限制濃度分別為1.9、0.64、1.5 mg/kg；這幾類食品中226Ra的限制濃度分別為14、4.7、11 Bq/kg。按照GB 14882—1994判定，本次監(jiān)測作物籽實中單一核素含量不超標。

3 土壤-農(nóng)作物系統(tǒng)天然核素轉(zhuǎn)移系數(shù)計算分析與應用

3.1 天然U、226Ra轉(zhuǎn)移(濃集)系數(shù)計算分析

農(nóng)作物籽實天然U、226Ra轉(zhuǎn)移(濃集)系數(shù)TF，定義為作物籽實干重比活度除以土壤干重比活度[11]135。對中南地區(qū)農(nóng)作物籽實天然U、226Ra轉(zhuǎn)移(濃集)系數(shù)進行計算并統(tǒng)計分析，按t分布、概率0.85計算置信度，分地區(qū)、部位計算中南鈾礦地區(qū)農(nóng)作物籽實天然U、226Ra轉(zhuǎn)移(濃集)系數(shù)，部分結(jié)果見表2～3。

就全部樣本而言，中南鈾礦地區(qū)農(nóng)作物籽實天然U、226Ra轉(zhuǎn)移(濃集)系數(shù)計算結(jié)果：1)天然U的TF為2.24×10-6～4.17×10-4，平均值為1.05×10-4，中位數(shù)為8.67×10-5，眾數(shù)為1.15×10-5，標準差為9.45×10-5；2)226Ra的TF為1.99×10-5～9.78×10-4，平均值為3.10×10-4，中位數(shù)為2.64×10-4，眾數(shù)為2.50×10-4，標準差為2.25×10-4。而1985—2002年湖南衡陽、郴州、益陽和江西贛州等地天然U的TF均值在8.00×10-5～2.03×10-2，湖南衡陽、江西贛州、崇義等地226Ra的TF均值在2.11×10-4～1.24×10-1[11]45。

表 2 按地區(qū)分組計算中南地區(qū)農(nóng)作物籽實天然U、226Ra轉(zhuǎn)移(濃集)系數(shù)Table 2 Natural U and 226Ra transfer(concentration) coefficients of crop seeds in the Central and South China(Grouped by region)

表3 按部位分組計算中南地區(qū)農(nóng)作物籽實天然U、226Ra轉(zhuǎn)移(濃集)系數(shù)Table 3 Natural U and 226Ra transfer (concentration) coefficients of crop seeds in the Central and South China(Grouped by site)

3.2 監(jiān)測結(jié)果、轉(zhuǎn)移系數(shù)對比分析

土壤-農(nóng)作物系統(tǒng)天然U、226Ra含量監(jiān)測結(jié)果，以及農(nóng)作物籽實轉(zhuǎn)移(濃集)系數(shù)見表4?？梢钥闯觯和寥乐刑烊籙、226Ra含量由高到低為覆蓋層、下方農(nóng)田、敏感點、對照點，而農(nóng)作物籽實天然U、226Ra含量轉(zhuǎn)移(濃集)系數(shù)由高到低為對照點、敏感點、下方農(nóng)田、覆蓋層。這表明在正常耕種情況下，土壤中天然U、226Ra含量較高時，農(nóng)作物轉(zhuǎn)移系數(shù)較低。

3.3 劑量估算

輻射劑量由吸入內(nèi)照射、食入內(nèi)照射、直接γ外照射組成。利用本次現(xiàn)狀監(jiān)測數(shù)據(jù)，根據(jù)《鈾礦地質(zhì)輻射環(huán)境影響評價要求》(EJ/T 977—1995)，以對居民影響最大的廢礦(渣)堆為中心，對各礦床(點)所致的最大個人有效劑量進行了估算。結(jié)果表明：1)照射途徑主要為空氣吸入內(nèi)照射(平均占比65.60%)，食入廢渣堆上作物內(nèi)照射(平均占比30.41%)，γ輻射劑量率外照射(平均占比3.99%)；2)最大個人有效劑量估算值為0.000 1～0.220 5 mSv/a、平均值為0.041 0 mSv/a，均滿足現(xiàn)行公眾劑量限值(0.25 mSv/a)的要求；3)空氣吸入內(nèi)照射占比最大，主要污染物為氡及其子體。

公眾個人劑量與鈾礦(床)點距離的關系如圖9所示。本次調(diào)研的鈾礦床(點)與周圍居民點的距離基本在2 km以內(nèi)，應重點關注與居民點距離600 m以內(nèi)的鈾礦床(點)。

表4 土壤-農(nóng)作物天然U、226Ra監(jiān)測結(jié)果與農(nóng)作物籽實轉(zhuǎn)移(濃集)系數(shù)對比Table 4 Comparison between soil-crop natural U,226Ra monitoring results and crop seed transfer (concentration) coefficient

圖9 公眾個人劑量與鈾礦床(點)距離的關系Fig.9 Relationship between public individual dose and distance from uranium deposits

4 結(jié)論

1)中南地區(qū)湖南、廣西、江西、湖北等4省26縣廢礦(渣)堆上、下方土壤及其糧食(谷物)、蔬菜、薯類(塊莖)等農(nóng)作物籽實的天然U、226Ra含量均低于國家食品中放射性物質(zhì)限制濃度，但也不應在覆蓋層耕作。

2)研究得到的中南地區(qū)分部位、分作物天然U、226Ra轉(zhuǎn)移(濃集)系數(shù)(TF值)的最新計算成果，可為相關地區(qū)輻射環(huán)境評價、放射事故應急、放射生態(tài)學、耕地污染治理等研究和實踐提供參考。在選取TF值時，應注意區(qū)分部位、作物，以及土壤天然U、226Ra核素含量范圍。

3)從保護公眾安全的角度，對距居民點平均距離600 m以內(nèi)的礦床(點)，需要優(yōu)先治理，并提升治理效果和加大監(jiān)護力度。