客观日本

200多篇论文描绘出福岛核事故放射性物质在陆地上的迁移全貌

2020年11月05日 能源环境

本文根据筑波大学科研成果发布资料编译而成

东京电力福岛第一核电站发生的大规模核事故释放了大量放射性物质,包括半衰期较长的放射性铯。虽然事故发生后,日本立即开展了各种环境监测并公布了结果,但每一项都只是某个时期的部分结果。福岛的环境污染随时有死灰复燃的迹象,国际上的关注度也非常高。因此,需要把迄今为止的研究结果整合起来,但此前并没有对现有的研究进行客观总结和科学验证的论文。

筑波大学生命环境系/同位素环境动态研究中心(CRIED)的恩田裕一教授、日本原子力研究开发机构福岛研究开发部门废堆环境国际共同研究中心的吉村和也研究主任,以及福岛大学环境放射能研究所的胁山义史讲师组成的研究团队,全面收集了200多篇关于福岛陆地环境监测的研究论文,重点明确了放射性铯137(以下简称137Cs)造成的陆地污染情况及环境恢复的全貌。

研究团队收集了此前发表的210多篇关于放射性物质在福岛第一核电站方圆80公里范围内及阿武隈川流域(面积合计为9862km2,137Cs降落量为2.7PBq,参考图1)的移动情况的论文,并进行了验证。特别是针对事故中释放的主要放射性物质137C,整合了陆地上的各种移动路径和因素,包括(1)137Cs经由森林和土壤的沉积,(2)从丘陵地带的再移动,(3)从水田向河流的移动,(4)城市地区的活动和去污的影响,(5)经由河流的移动等(图1)。另外,还与切尔诺贝利的研究成果进行了比较。

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图1:137Cs在陆地的移动及监测模式图
降落到地面上的2.7PBq的137Cs中,有67%沉积到森林中,10%沉积到水田中,7.4%沉积到旱田和草地中,5%沉积到城市地区。据计算,在事故发生后的6年里,通过河流从陆地流入海洋的137Cs约占其中的4.8%(2011年6月~2017年3月期间,阿武隈川)。包括137Cs的物理衰减(同期为13%)在内,残留在阿武隈川流域的137Cs约为82%。

由此,研究团队明确了福岛陆地环境的污染及恢复情况全貌,并面向全世界公开。

· 在森林中的积存和移动

陆地上受福岛第一核电站事故释放的放射性铯(137Cs)影响最严重的部分是森林。森林面积占受影响地区的总面积的60%(图1)。在森林中,除了直接落到地面的137Cs外,还有被树枝树叶临时捕获,之后又落到地面的,而且不同的树种,污染等级也各不相同。研究发现,137Cs在森林里的移动情况和分布情况的时间变化会受到树种(常绿针叶树和落叶阔叶树)及森林特征(树和枝叶的密度等)的影响,这些因素决定着137Cs通过雨水及落叶和落枝向地面移动的速度(图 2)。

关于树体(包括树皮+树干+枝叶在内的整棵树木)中的137Cs积存情况,常绿针叶树在事故发生1年后减少约60%,之后也在持续减少,事故发生8年后减至初期沉积时的2%左右(图2b)。落叶阔叶树在事故发生1年后减至事故初期的约60%,虽然树体的积存量减少,但之后受树根吸收的影响,树干的积存量出现增加的趋势,即使是事故发生8年后,树体中的137Cs积存量依然为初期的91%(图2f)。事故发生8年后森林地表的137Cs积存量方面,杉树林表层土壤2cm以内深处的积存量为初始沉积量的54%,落叶阔叶树林为59%。

持续进行监测发现,一年内经由河流和泥沙等从森林流域流出的137Cs的量还不到流域初始沉积量的0.3%,137Cs几乎全部残留在了森林生态系统内

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图2:森林中的放射性铯的移动情况及分布情况的时间变化
在“各部位的存在量”(单位为kBqm-2)中,括号内的数字表示相对于各个时期的整体存在量的比例。另外,“各移动路径的贡献率”表示在从树冠移动到地面的137Cs的量中,各个路径的贡献率。

· 在土壤中下沉

137Cs会强力吸附在土壤颗粒上。因此,事故发生后,因事故而沉积的137Cs有99%以上存在于土壤表层深度为10cm以上的部分。土壤自身有屏蔽辐射的效果,所以地面上的空气吸收剂量率会大幅受到137Cs在表层10cm的土壤中的分布和移动的影响。137Cs在土壤中的深度分布可以用指数函数式来近似计算,系数β越大,表示向下移动得越深。β被称为重量缓冲深度,会随着事故后的时间推移而逐渐增加,也就是说,会逐渐向下方移动(图3d)。下移速度在弃耕的水田中最快,每年约为1.3cm, 3年后,土壤表层的137Cs浓度急剧减少,在表层10cm的范围内变得基本均匀(图3b)。耕种水田表层2cm深处的137Cs浓度在2012年时约为15%,残留量显著减少(图3c)。

另一方面,在城市地区不受干扰的土壤中,以每年平均约0.3cm(按考虑到土壤密度的重量深度换算,每年约为0.3gcm-2)的速度下移,影响了空气吸收剂量率的降低,但移动到10cm以下深度(最深20cm)的137Cs在2017年时不到10%。在森林中,落叶持续供应137Cs,因此137Cs会持续停留在土壤表层附近(图3a、d)。

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图3:各种土壤中的137Cs浓度的深度分布与重量缓冲深度β的时间变化

· 放射性物质随着土壤侵蚀移动

研究团队对从水田、旱田、草地、城市地区及森林里流出来的放射性铯进行观测发现,因土壤侵蚀而以悬浮态流入河流中的137Cs的浓度会随着土地的利用类型和事故发生后经过的时间而变化(图4)。

在水田中,事故发生后半年内,归一化的137Cs的浓度 (Sc)会比其他土地类型高出1位数,但到事故发生后1年的时候会急剧减少,降到与其他土地类型相同的水平。原因被认为是,在耕种的农田里,耕作会使137Cs浓度较高的表层土壤与137Cs浓度较低的深层土壤混合,由此使得暴露在表层的137Cs的浓度降低,并且长期保持这种状态。另外,从城市地区流出的放射性铯中,悬浮态的归一化137Cs的浓度在事故发生1年后为森林流域的2.4倍,但之后急剧减少,4年后降至森林流域的1.5倍(图4)。

另一方面,从森林中流出的137Cs浓度降低速度比较慢(降低速度约为城市地区的60%,图4)。

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图4:从砂土生产源流出的砂土中含有的归一化137Cs浓度在福岛第一核电站(FDNPP)事故后的时间变化

· 从河流中流出的137Cs

关于福岛第一核电站事故后经由河流移动的137Cs的情况,研究团队以筑波大学和福岛县为中心,进行了长期、大范围的监测,发现经由河流进入海洋的137Cs的总量约为最初沉积到陆地上的总量的4.8%(2011年6月至2017年3月期间,阿武隈川),其中96.5%以悬浮态被运送到下游(图1)。

另外还发现,沿河流而下的137Cs浓度的时间变化与流域的土地利用情况密切相关。尤其是生活圈(水田、旱田、城市地区=PFU)对流域的覆盖率较高的河流,事故发生后1年内浓度急剧下降(图5A)。在从水田及城市地区流入河流的137Cs的浓度调查中也观测到了这种倾向。之后浓度依然持续缓慢下降,事故发生6年后,阿武隈川的悬浮态137Cs的浓度降低到了事故刚刚发生后的2%(图5B)。

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图5:福岛第一核电站事故后,137Cs经由河流移动的时间变化图。A.按流域的初始沉积量归一化的溶解态137Cs的浓度。B.按流域的初始沉积量归一化的悬浮态137Cs的浓度。C.流域的137Cs流出率(每4个月)。

· 137Cs以外的放射性物质

在福岛第一核电站事故中,除放射性铯之外还有其他核素也被释放到环境中。放射性锶(Sr)和钚(Pu)等也在福岛被观测到,但分布量非常低。例如,调查发现,福岛第一核电站50km范围内的土壤中的90Sr的浓度只有137Cs的1/100~1/10,000。另外还发现,土壤中存在的Pu中,来自福岛第一核电站的只有约7%,其余均来自以往的大气核实验。

· 与切尔诺贝利核电站事故的比较

福岛与切尔诺贝利的森林特征、土地利用形态、地形及降水量等自然条件不同,因此研究人员此前预测两地陆地的137Cs动态也不同。但此前一直没有根据全面的监测调查结果对两地的137Cs动态进行比较的研究结果。

此次验证发现,在福岛的森林里,事故初期137Cs随着雨水从树冠向地面移动的速度比切尔诺贝利的森林快。原因被认为是福岛的降水量较多(福岛县:1200mm/年,切尔诺贝利 :650mm/年)。另外还发现,日本高密度种植的杉树人工林等,树冠的生物质含量较多,因此从长期来看,移动速度会变得与切尔诺贝利相同或稍慢。

调查发现,通过雨水和落叶移动到地面的137Cs会随着时间的经过从落叶层快速移动到下方,并积存在土层中,因此很难流出,河水中的溶解态和悬浮态137Cs的浓度比欧洲各国的森林河流低一位数(图5A、B)。此外发现,在由陡峭的地形构成的福岛山林中,含137Cs的部分落叶有时还会移动到山坡下方,通过河流流出去,不过主要是通过溪流部分流出,如前所述,一年的流出量还不到初始沉积量的0.3%,流到森林以外的量非常少(图5C)。

研究团队还发现,在福岛,地表的137Cs含量的减少速度比切尔诺贝利快。这是因为,福岛地形陡峭,降水量也比较多,而且水田和旱田一直在耕种,城市地区有人类活动,还实施了去污等,而切尔诺贝利的大部分流域都是人类活动有限的森林和弃耕的农田。

例如,表示放射性核素的地下渗透情况的137Cs重量缓冲深度β,在福岛的耕种水田中的值是切尔诺贝利灾区的2~4倍(图3d)。表层土壤是河流浮游颗粒的来源,因此福岛河流中的初期(事故后1年)悬浮态137Cs的浓度降低速度也比流经切尔诺贝利的普里皮亚季河快1.6倍左右(图5B)。在溶解态的归一化137Cs的浓度方面,福岛河流中的浓度也始终比切尔诺贝利事故后的欧洲河流低2位数左右。这表明福岛河流中的137Cs浓度的降低速度非常快(图5A)。淡水鱼中的137Cs浓度虽然在目前的定期监测中大部分都降到了标准值以下,但偶尔也会发现超过规定标准的,已知淡水鱼中的137Cs浓度与溶解态137Cs的浓度密切相关。此次研究发现,与溶解态137Cs的浓度一样,福岛淡水鱼的污染等级也比切尔诺贝利事故后的欧洲淡水鱼低1、2位数,说明污染的恢复速度要比根据切尔诺贝利的情况预测的速度快。

由于流域内的土地利用情况直接影响河流中的悬浮态137Cs的浓度,河流中的悬浮态与溶解态137Cs的浓度比例(Kd)也没有随着时间发生变化,因此研究团队判断认为,切尔诺贝利事故后围绕欧洲的河流提出的、溶解态137Cs的浓度降低是因为137Cs逐渐被土壤颗粒强力吸附的说法并不适合福岛。研究团队综合这些结果取得了新发现,即至少在福岛,源自砂土的放射性物质浓度降低使得悬浮态137Cs的浓度降低,从而引起了溶解态137Cs的浓度降低。

论文信息
题目:Radionuclides from the Fukushima Daiichi Nuclear Power Plant in terrestrial systems
期刊:Nature Reviews Earth & Environment
DOI :10.1038/s43017-020-0099-x

延申阅读
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研究成果发布资料
编译:JST客观日本编辑部

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