辽东湾沿岸土壤中钚同位素的分布特征及其土壤侵蚀示踪研究

【摘要】：近几十年来,~(137)Cs作为示踪元素被广泛应用于土壤侵蚀过程与机理研究。但是随着~(137)Cs的衰变(半衰期为30.2年),其作为示踪元素的灵敏度将受到影响,寻找一种替代元素十分有意义。环境中的钚同位素与~(137)Cs来源相同,但半衰期更长,且容易被土壤细颗粒物吸附,而且质谱测量技术的发展使得钚同位素的测量更灵敏、高效,因此它被认为是替代~(137)Cs进行土壤侵蚀示踪的理想元素。但是在实际研究中,世界范围内应用钚同位素定量研究土壤侵蚀的方法体系尚未建立起来。为推动核素示踪技术在土壤侵蚀研究中的发展,同时为完善我国土壤中钚同位素数据信息,本文选定辽东湾沿岸区域(包括大连、鞍山、锦州、盘锦及营口五个地区)为研究对象,结合课题组前期在此区域开展的~(137)Cs研究基础,采集一定数量的土壤表层样和剖面样,采用放射化学分离与电感耦合等离子体质谱技术(ICP-MS)相结合的方法以及γ谱仪法分析测定了土壤中的钚同位素和~(137)Cs,首次针对我国东北地区土壤中钚同位素的来源、空间分布及迁移扩散行为作了系统研究,同时通过与~(137)Cs数据结果比较,并借助土壤侵蚀模型,探讨了 ~(239+240)Pu作为土壤侵蚀示踪元素的可行性。主要获得以下研究成果:(1)采用AG 1-×4阴离子交换色谱与萃取色谱相结合的方法分离纯化土壤中的钚同位素时,对~(238)U的去污系数可高达10~6,在阴离子交换树脂分离阶段将样品溶液上柱的速度控制在1 mL/min以下,钚的全程回收率可达80%以上,同时对IAEA标准参考物质的测量准确,表明所建立方法准确、可靠。(2)辽东湾沿岸土壤中~(240)Pu/~(239)Pu原子比值(0.178～0.201)及~(239+240)Pu/~(137)Cs放射性活度比值(～0.045,衰变校正至2009年9月1日)均与全球大气沉降值相一致,表明研究区土壤中钚同位素来源于全球大气沉降,与~(137)Cs同源。(3)表层土壤(0~5 cm)中~(239+240)Pu比活度变化在0.023～0.938mBq/g之间,土地利用方式及人类活动影响是造成不同类型表层土壤中~(239+240)Pu活度浓度差异的主要原因。~(239+240)Pu比活度在非耕地土壤剖面中均随土壤深度增加呈指数下降方式分布,在耕地剖面中则较均匀分布于耕作层30 cm或20 cm以内,与相应剖面中~(137)Cs的分布规律保持一致。未受扰动土壤剖面中~(239+240)Pu总量范围为84.5～90.0 Bq/m~2,而其他研究剖面中~(239+240)Pu总量变化在12.5～61.6 Bq/m~2之间,表明这些土壤剖面中钚同位素随土壤颗粒发生了不同程度的迁移与再分配过程。人类耕作活动的混合作用、耕种的作物类型、耕作频次及灌溉模式等是影响耕地中钚同位素随土壤再分配程度的主要因素。逐级浸取法分析土壤剖面不同层位土壤中钚的结合形态结果表明:钚在土壤中主要与有机质、黏土矿物及铁锰氧化物结合,水溶性及可交换态的钚含量极少,而且深层有机质含量高的土壤中有机结合态的钚含量最高,表明土壤中钚的迁移能力很弱,而有机质是影响钚同位素在深层土壤中吸附和迁移行为的重要因素。(4)~(239+240)Pu与~(137)Cs比活度在土壤中具有相似的空间和深度分布特征,原因是钚和铯在土壤中都难以以离子和小分子形式存在和迁移,而主要以和土壤颗粒物组分牢固结合的形式存在,因此它们在土壤中随颗粒物的物理迁移过程一致,可以传递相同的土壤侵蚀与再分配信息。分别采用~(239+240)Pu和~(137)Cs作为土壤侵蚀示踪元素,运用土壤侵蚀模型,估算土壤侵蚀速率,统计检验结果表明,两种方法估算结果无显著差异,证明了 ~(239+240)Pu与~(137)Cs具有相同的土壤侵蚀示踪功能。(5)论文为后续研究土壤中~(239+240)Pu和~(137)Cs的迁移行为、红沿河核电站核安全评估及其他可能的核污染评估提供了比活度及~(240)Pu/~(239)Pu原子比值等基准数据。