铀尾矿库区稻田土中放射性核素的空间分布和放射性水平评价

刘媛媛，张春艳，魏强林，郭亚丹，高柏，周维博

1. 长安大学环境科学与工程学院，西安 710054 2. 长安大学旱区地下水文与生态效应教育部重点实验室，西安 710054 3. 东华理工大学放射性地质与勘探技术国防重点学科实验室，南昌 330013 4. 东华理工大学水资源与环境工程学院，南昌 330013

核能发展离不开铀矿石的开采，由此引起的环境问题也越来越突出。据统计，1998—2002年，世界范围内矿山开采、水冶和尾矿中释放的放射性核素导致公众所受的集体有效剂量约为0.238人·Sv·GW-1·y-1[1]，而我国铀矿冶系统远大于这个值。露天存放的各种放射性废物矿石在降雨等淋滤作用下释出核素进入土壤，影响其周边土壤环境。通过不断下渗或水力联系进入地下水和地表水，同时可能给周边生态安全造成危害。

目前，国内外开展矿区放射性核素在土壤中分布的研究主要集中在野外调查与试验、室内实验和计算机模拟研究3个方面[2-6]。我国科研人员利用野外试验场先后开展了238Pu、90Sr等在含水层介质和黄土以及85Sr、134Cs、60Co在非饱和黄土中的迁移研究，为我国制定相关的法律法规提供了科学依据，也为安全处理和处置放射性废物奠定了基础，同时为核素的填埋选址提供了大量的参考数据。朱君等[7]等基于室内土柱法建立了3种不同喷淋强度下放射性核素在砂土介质中的动态土柱迁移试验，对不同喷淋强度对核素90Sr在土壤中迁移的影响进行分析，发现喷淋强度对分配系数影响不大。闫逊[8]对铀尾矿中土壤环境放射性核素浓度的分布及其对土壤微生物多样性的影响进行研究，发现随着放射性核素的升高，土壤质量急剧恶化。马盼军等[9]等采用便携式XRF元素分析仪对某铀尾矿库周边土壤中铀元素含量进行了原位测试分析，发现该铀尾矿库周边土壤中铀元素含量的平均值分别是中国及其所在省土壤中铀元素含量背景值的4倍和2.3倍，而样品中铀元素含量变异系数达到61.84%，说明该铀尾矿库对其周边土壤产生了一定的污染效应。孔秋梅等[10]对湖南某铀尾矿库周边3条土壤剖面的铀分布特征及其赋存形态进行研究，并讨论了土壤中外源铀的输入机制。发现铀尾矿库对周边土壤已产生了铀污染，其中，近源土壤剖面遭受了重度铀污染，随着远离污染源，土壤的铀污染程度呈降低趋势。

由于微生物活性等原因，不同浓度区块表层土壤质量均好于中低层土壤。Schlenker等[11]选择德国4个森林的不同土壤类型和植被土壤作为研究对象，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，发现研究区土壤中的放射性核素迁移受到该土层化学条件的影响。Hancocka等[12]对澳大利亚北部的一个前铀矿的修复情况进行评估和核素迁移研究，发现尾矿储存库非常稳定，但支流的沉积物浓度超过建议水平。Thorring等[13]发现在表层土壤中，酸雨促进放射性核素铯的迁移，较深处土壤中，降水的化学成分对放射性核素铯迁移的影响不明显。这些研究表明，不同矿区周边土壤的核素分布、迁移和放射性水平差异较大，受矿区类型、土壤环境等多种因素的影响。受各种条件的限制，关于铀尾矿库区多种放射性核素复合污染的空间分布的研究还比较少，有必要对尾矿库周边土壤中长寿命天然放射性核素238U、226Ra、232Th、40K对环境造成的辐射影响进行具体研究。

本文以我国南方某铀尾矿库下游稻田土壤中的典型放射性核素为研究对象，使用统计方法得出稻田土壤1 m深度范围内放射性核素的空间分布图，结合核素性质以及土壤环境分析其比活度差异来源，最后利用γ辐射吸收剂量率和年有效剂量法对土壤环境放射性水平进行计算，为准确评价尾矿库对周边居民和环境造成的辐射影响和放射性核素在周边稻田植物根系中的迁移机理研究提供基础资料。

1 材料与方法(Materials and methods)

1.1 研究区概况

研究区所在铀矿山位于中生代赣-杭火山岩相山火山盆地，属我国典型的火山岩型铀矿床。该尾矿库周边三面环山，山谷型，库内储存大量尾矿砂，研究区位于此库下游。该地区属于亚热带湿润季风气候，日照充足，雨量充沛。地表水系丰富，多条河流交错。岩性主要为下白垩统鹅湖岭组碎斑熔岩。地下水主要受断裂构造和基岩控制，以基岩裂隙水为主，其次为风化带网状裂隙水和第四系孔隙水。地下水的主要补给来源是大气降水和地表水，排泄方式为地表径流、地下径流和泉等多种方式混合。

1.2 样品采集与检测

选取铀尾矿库下游稻田土壤作为研究对象，根据前期勘查结果，研究区内布设8个采样点(图1)。现场采样时每个样点沿垂向剖面每隔20 cm取样，受现场取样条件和土壤环境限制，除了样点S4和S8，其他样点在距离地表50 cm附近有水浸出，无法继续取得适宜土样，故共获取24组土样。所有样品采集后立即使用采样袋塑封并命名，在24 h内运回实验室检测分析。

室内检测在东华理工大学分析测试研究中心完成，利用美国ORTEC低本底高纯锗(HPGe) γ谱仪进行放射性核素活度测量。能量刻度源用152Eu和60Co片状标准源(不确定度均为2%)。土壤粉末标准源(源净重均100 g)：铀镭平衡系粉末放射源(GBW04305a)，其中238U活度为2 087.459 Bq，226Ra活度为2 070.80 Bq；钍粉末放射源(GBW04308)，232Th活度为1 061.635 Bq；40K粉末放射源(GBW04327)，40K的活度为85.156 Bq。以上标准源均来自中国计量科学研究院。

图1 研究区土壤采样点分布图Fig. 1 Distribution of soil sampling sites in the study area

实验按照土壤中放射性核素的γ能谱分析方法[14](GB/T 11743—2013)中规定的相对比较法求解样品中放射性核素比活度，并分析扩展不确定度。将样品烘干、磨碎、过0.178 mm孔径筛。每个样品称取100 g放入γ能谱分析专用聚乙烯样品盒，用蜡密封后存放4周，使放射系中铀、镭和它们的短寿命子体基本达到平衡。低本底HPGe γ谱仪经刻度后在相同条件下依次测量空样品盒、土壤粉末标准源和土壤样品能谱各8 h，利用仪器自带解谱软件分别求出238U、226Ra、232Th子体中γ射线发射几率比较大的92.6 KeV(234Th)、352 KeV(214Pb)、911.1 KeV(228Ac)特征峰和40K本身1 460.8 KeV特征峰的净峰面积计数(将空样品盒测量值作为本底计数)。根据测量时间，通过相对比活度法得到土壤238U、226Ra、232Th和40K比活度。根据扩展不确定度公式求得高纯锗探测器测量土壤样品238U、226Ra、232Th和40K的扩展不确定度均分别小于4.01%、4.22%、4.04%和4.20%，满足GB/T 11743—2013中扩展不确定度铀小于20%，镭钍钾小于10%的要求。

1.3 数据处理

使用数据处理的方法对核素含量进行描述性统计(表1)和相关分析(表2)，统计值包括平均值、峰度、偏度、最大值、最小值、标准偏差。使用Surfer软件绘制表层土壤中核素含量的空间分布特征图。

采用γ辐射吸收剂量率、年有效剂量来进行土壤环境放射性水平评价。假定放射性核素在地面土壤中的分布是均匀的，一般认为无限大，且每个放射系列均为平衡状态。根据样品土壤226Ra、232Th和40K的放射比活度，由Beck公式(1)得到离地面距离为1 m高处γ辐射吸收剂量率的公式[15]为：

D=aRa×QRa+aTh×QTh+aK×QK

(1)

式中：D为1 m高处γ射线的空气吸收剂量率，单位为nGy·h-1；aRa、aTh、aK分别是镭、钍、钾的换算系数，各自为0.427、0.662和0.043 nGy·kg·Bq-1·h-1；QRa、QTh、QK分别表示土壤中226Ra、232Th、40K的放射性比活度(Bq·kg-1)。

年有效剂量率是评价放射性核素γ辐射外照射的另一个重要指标，可用公式(2)进行计算[16]：

Daedr=D×8760×a1×a2×10-3

(2)

式中：Daedr为年有效剂量率，μSv·y-1；a1(0.2)是室外居留因子；a2(0.7 Sv·Gy-1)是大气中吸收剂量转化成年有效剂量的换算系数。

2 结果与讨论(Results and discussion)

2.1 土壤中典型放射性核素比活度之间的差异分析

所有土样中238U、226Ra、232Th、40K 4种核素均被检出。根据样品所在位置(表层或剖面)将样品分成2组分别研究，统计结果见表1。可以看出，在土壤表层和剖面，226Ra和40K的均值、最大比活度都比232Th和238U高。据显示，在硫酸浸出的铀水冶厂，矿石中的226Ra只有1%进入溶液，99%都存在于尾矿中[17]，在长期的风化氧化作用下残存富集在土壤中。而40K除了在土壤中的天然本底较高外，影响40K比活度高的因素还有可能与稻田常年施加钾肥有关，因此样品中检出的226Ra和40K的均值较高。

表层土壤和剖面上，226Ra和40K标准差和变异系数都比232Th和238U高，说明40K和226Ra的比活度分布比232Th和238U离散程度大，样点分布更不均匀。表层土壤中，238U、40K、226Ra、232Th这4种核素比活度的峰度均小于3，说明其比活度分布比正态分布平坦。4种核素偏度均为正值，且接近1，说明数据分布形态为右偏，即右端有较多的极端值。

表1 土壤中的放射性核素比活度统计Table 1 The statistics of radionuclide specific activity in the soil

图2 样点剖面S4放射性核素比活度随深度变化示意图Fig. 2 The change of radionuclide specific activity with the depth in profile S4

图3 样点剖面S8放射性核素比活度随深度变化示意图Fig. 3 The change of radionuclide specific activity with the depth in profile S8

与江西省背景值比较，表层土壤中238U、226Ra、232Th、40K的平均值分别是背景值的1.53倍、11.47倍、0.92倍和1.08倍。除了226Ra比活度超出当地背景值较多，其他3种核素与背景值相差不大。垂向剖面上，238U、226Ra、232Th、40K的平均值分别是背景值的1.66倍、8.74倍、1.06倍和1.11倍。同样，226Ra比活度超出当地背景值较多，其他3种核素与背景值相当，从而可推断出该区域氡气(226Ra的衰变子体)含量较高，有待进一步加强对氡析出率的研究。

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比活度的标准差分别为0.594和0.525，变异系数为0.866和1.136，高出238U和232Th较多，说明研究区内40K和226Ra的比活度比232Th和238U离散程度大，样点差异性更大。选取具有完整土样点的S4和S8两处进行垂向分布特征研究，其垂向剖面上的比活度变化见图2和图3。总体上，2个样点剖面上4种放射性核素含量均有沿深度降低的趋势，这种纵向变化说明核素具有一定的迁移和富集性，但其程度大小存在差异，这是因为核素迁移受其自身以及土壤的理化性质的影响，不同土壤对放射性核素的吸附、富集作用不同。由图3可知，土壤表层至20 cm内出现核素比活度高值，现场采样发现，表层土壤颜色较其他位置偏黑，有机质含量较高，会产生腐殖质对铀的吸附和还原作用，使得此点核素比活度整体偏高。样点S4剖面处地表以下80 cm处核素含量达到最低，样点S8剖面地表以下100 cm处出现低值，说明越往土壤深部，放射性核素比活度急剧降低。

比较238U在2个剖面的比活度发现：地表以下40 cm处238U比活度达到最高，说明其迁移变化特征基本相同，核素自身性质是影响其迁移富集的主要因素。由于土壤表层的氧化环境利于铀的迁移，还原环境使得核素铀富集[19]，使得238U比活度在表层以下存在高值。40K在表层土壤中比活度最高，浅部急剧下降，到40 cm深度处与背景值相当。这主要是由于稻田土中会施加化肥而含钾，导致其浅部40K含量高出地下许多，垂向迁移能力较弱。除此，从地表以下40 cm开始，238U和232Th变化趋势大体一致。比较4种放射性核素可以看出，镭的变化最没有规律性，样点间差异最大，与统计分析得出的结论一致。

2.3 土壤中核素空间分布与相关性分析

图4为研究区平面上4种核素的空间分布图。可以看出，平面上，研究区土壤中4种放射性核素的比活度均呈现北高南低的变化趋势，最高点在研究区北边样点S1或S2处，这可能与该水处理厂流出的水不断渗入稻田土壤有关。现场调查发现，虽然此矿山已停止开采多年，但是水处理厂处于运作状态，稻田正好位于处理厂的南边位置，导致样点S1和S2容易积累较高的放射性核素。从图4还可以看出，232Th和40K在平面上的分布特征较相似，且在尾矿库周边比活度较低，说明232Th、40K的迁移特征一致。比较4种核素的平面分布图还可以看出232Th、40K比238U、226Ra迁移性差，这与垂向剖面上的结论238U比40K迁移速率快一致。

注：**表示在0.01水平(双侧)上显著相关。

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

表3 放射性核素的空气中γ辐射吸收剂量率和年有效剂量率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每个样点的表层土。

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

为了直观简明地说明这4种核素的来源和联系，计算放射性核素两两之间的皮尔逊相关系数，结果见表2。可以看出，4种核素之间，232Th和40K的相关性最强，它们之间呈显著的正相关性，皮尔逊系数达到0.849。说明核素232Th和40K的地球化学性质相似，存在相同的迁移特征和富集特征，这与平面分布特征得出的结论完全一致。其次，238U和232Th，238U和40K之间也存在一定的正相关性，皮尔逊系数为0.556和0.552，说明238U与232Th、40K的分布特征与迁移性也存在一定的相似性。

2.4 土壤环境放射性水平

对每个样点的表层土S1-1～S8-1进行了γ辐射吸收剂量率和有效剂量率的计算，结果如表3所示。由表3可知，研究区土壤放射性在地表1 m高处产生的γ辐射吸收剂量率为67.024～878.708 nGy·h-1，均值为361.443 nGy·h-1，均值高出全国和世界平均水平的3倍。其中，77.8%样点超出全国和世界水平。由此可见，研究区内矿石赋存有较多的放射性核素故辐射吸收剂量率较高。除此，研究区土壤放射性的年有效剂量率为82.198～1 077.648 μSv·y-1，平均值为443.274 μSv·y-1，小于联合国原子辐射效应科学委员会(UNSCEAR)推荐的平均年有效剂量率460 μSv·y-1[21]，同时低于全国年有效剂量率的推荐背景值。根据采样点有效剂量率值可看出，2个样点的年有效剂量率高出全国推荐背景值，3个样点高出国际推荐背景值。所以，研究区存在年有效剂量率超出背景水平的区域，有待进一步深入研究。根据研究区地质资料可知，研究区属于酸性花岗岩，其放射性水平本身较高，这可能导致研究区辐射本底水平较高。

综上所述：本文研究了某铀尾矿库下游稻田土壤中放射性核素238U、226Ra、232Th、40K的空间分布特征，并采用γ辐射吸收剂量率和年有效剂量法进行土壤环境放射性水平评价。结果发现，典型核素238U、226Ra、232Th、40K放射性比活度差异较大。226Ra含量超出当地背景值较多，其他3种核素与背景值相差不大。说明研究区土壤中的典型放射性核素的比活度未受到外界的强烈影响。垂向上，238U、40K、226Ra、232Th含量均有沿深度总体降低的趋势。其高值出现在土壤表面，地表以下80 cm处开始核素含量降低，这可能与土壤的有机质含量等性质有关。比较4种放射性核素垂向迁移特征，镭的变化最没有规律性，样点间差异最大，与统计分析得出的结论一致。总体而言，232Th、40K的迁移性较差。除此，研究区土壤年有效剂量率平均值小于联合国原子辐射效应科学委员会(UNSCEAR)和全国年有效剂量率的推荐背景值。但是，γ辐射吸收剂量率均值高出全国和世界平均水平的3倍。说明研究区放射性水平较高。