塞米巴拉金斯克试验场水核试验后果的放射生态学评估：放射性核素分布、土壤-植物转移及辐射风险

《Applied Radiation and Isotopes》：Radioecological assessment of the consequences of hydronuclear testing at the Semipalatinsk test site: Radionuclide distribution, soil-to-plant transfer, and radiological risk

　　

对哈萨克斯坦塞米巴拉金斯克试验场（Semipalatinsk Test Site, STS）阿克坦-贝尔利（Aktan-Berli）试验场区开展了放射生态学评估。研究人员在1.0 km × 1.0 km网格上布设了54个采样点，测定了表层土壤（0–5 cm）中天然放射性核素（40K、232Th、226Ra）和人工放射性核素（137Cs、241Am）的活度浓度，并基于土壤污染调查结果在10个采样点采集了植被样品，测定了40K、232Th、226Ra、137Cs、90Sr、241Am和239+240Pu的活度浓度，进而计算了土壤-植物转移因子（transfer factor, Tf）。研究结果表明，在阿克坦-贝尔利试验场区识别出了241Am和137Cs活度浓度升高的局部区域，而天然放射性核素（naturally occurring radionuclides, RNs）的活度浓度保持在典型背景水平范围内。除90Sr表现出较高的生物可利用性外，放射性核素从土壤向植被的转移整体较低。辐射风险评估结果显示，镭当量活度（radium equivalent activity, Raeq）、吸收剂量率、外危害指数（external hazard index, Hex）和内危害指数（internal hazard index, Hin）均满足国际推荐标准，表明该区域对公众和生态系统均处于安全水平。

论文解读

一、研究背景与意义

放射生态学与辐射安全研究对于核试验遗留场址的环境评价与公众保护具有重要的科学意义。塞米巴拉金斯克试验场（Semipalatinsk Test Site, STS）位于哈萨克斯坦境内，面积约18,300 km2，是世界最大的核试验场之一。在其运行期间，该场地共进行了340次地下核试验、30次地表核试验和86次大气层核试验。其中，阿克坦-贝尔利（Aktan-Berli）试验场区位于STS南部，是专门用于水核试验（hydronuclear experiments）的区域，试验在地下5至30米深的钻孔中进行。然而，关于这些试验的确切位置（包括坐标或场址布局图）的信息此前无法获取，该区域的辐射状况长期缺乏系统表征，成为STS中研究最为薄弱的区域之一。

尽管STS大部分区域已开展了广泛的放射性核素污染研究，包括实验场（Experimental Field）、德格林（Degelen）、巴拉潘（Balapan）、萨雷-乌津（Sary-Uzen）以及4号场址等区域，但阿克坦-贝尔利区域的土壤放射性核素空间分布和植被中放射性核素积累特征此前均未见报道。因此，开展该区域的放射生态学系统评估，对于全面了解STS的辐射状况、完善环境监测体系以及为土地安全利用提供科学依据具有重要的现实意义。

二、研究内容与主要技术方法

本研究围绕阿克坦-贝尔利试验场区开展了系统的放射生态学调查。在野外调查方面，研究人员按照1.0 km × 1.0 km网格布设了54个土壤采样点，使用AT6130辐射监测仪测量了环境剂量当量率（ambient dose equivalent rate, ADER）和β粒子通量密度，并采用岩芯取样法采集了表层0–5 cm土壤样品。基于土壤污染调查结果，结合当地地形特征，在10个放射性核素污染升高的区域采集了地上部植被样品及对应的土壤样品，用于计算土壤-植物转移因子（transfer factor, Tf）。植被样品为混合草原草本群落复合样，主要优势种包括羽茅（Stipa capillata、S. sareptana、S. lessingiana）、羊茅（Festuca valesiaca）和蒿属植物（Artemisia gracilescens、A. frigida）。

在实验室分析方面，研究人员采用Canberra γ射线能谱仪（配备BE 3830固态探测器，相对探测效率34%）测定了⁴⁰K、²³²Th、²²⁶Ra、¹³⁷Cs和²⁴¹Am的活度浓度；采用Tri-Carb 2910 TR液体闪烁β能谱仪通过⁹⁰Y的放射化学分离测定了⁹⁰Sr活度浓度；采用Alpha-Analyst α能谱仪经萃取、色谱分离和电解沉积后测定了^239+240Pu活度浓度，以²⁴²Pu作为产额示踪剂，化学回收率为30%–73%。空间数据处理与制图采用ArcGIS for Desktop 10.8地理信息系统，通过克里金插值法（kriging interpolation）生成辐射参数和放射性核素活度浓度的空间分布图。

在辐射风险评估方面，研究人员计算了镭当量活度（Ra_eq）、距地面1.0 m高度处的吸收剂量率（D）、外危害指数（H_ex）和内危害指数（H_in），并与国际推荐标准进行比较。

三、研究结果

土壤放射性核素空间分布特征

通过对54个网格采样点的系统调查，研究人员识别出了阿克坦-贝尔利试验场区内²⁴¹Am和¹³⁷Cs活度浓度升高的局部区域。这些局部污染区域的存在与水核试验的历史活动相关，表明尽管试验在地下钻孔中进行，但仍有部分放射性核素残留在表层土壤中。相比之下，天然放射性核素（⁴⁰K、²³²Th、²²⁶Ra）的活度浓度在整个研究区域内保持在典型背景水平范围内，未受到核试验活动的显著影响。

植被中放射性核素积累特征

在10个采样点测定了植被中⁴⁰K、²³²Th、²²⁶Ra、¹³⁷Cs、⁹⁰Sr、²⁴¹Am和^239+240Pu的活度浓度，并计算了土壤-植物转移因子。结果表明，除⁹⁰Sr表现出较高的生物可利用性外，大多数放射性核素从土壤向植被的转移因子整体较低。这一发现与STS其他区域的研究结果一致，即放射性核素在土壤-植物系统中的转移主要取决于核试验类型和环境条件。

辐射风险评估

基于土壤中天然放射性核素的活度浓度，研究人员计算了镭当量活度（Ra_eq）、吸收剂量率（D）、外危害指数（H_ex）和内危害指数（H_in）。评估结果显示，所有辐射风险指标均低于国际推荐的安全限值，表明阿克坦-贝尔利试验场区当前的辐射状况对公众健康和生态系统均不构成显著风险。

四、讨论与结论

讨论部分指出，阿克坦-贝尔利试验场区虽然存在局部区域的人工放射性核素（²⁴¹Am和¹³⁷Cs）活度浓度升高现象，但整体辐射水平处于安全范围内。放射性核素从土壤向植被的转移整体较低，其中⁹⁰Sr的生物可利用性相对较高，这一发现对于评估放射性核素通过食物链向人类转移的潜在风险具有参考价值。研究还强调了系统网格化采样方法在识别核试验遗留污染区域中的有效性，为其他类似核试验场址的放射生态学评估提供了方法论参考。

研究结论可概括为：阿克坦-贝尔利试验场区存在局部区域的人工放射性核素污染，但天然放射性核素保持在背景水平；放射性核素从土壤向植被的转移整体较低，除⁹⁰Sr外；所有辐射风险指标均满足国际推荐标准，该区域对公众和生态系统均处于安全水平。