放射性核素¹³⁷Cs是人工核爆炸和核反应堆发生泄漏后的主要释放物, 其半衰期为30.17 a, 产生源地主要是北半球中高纬度和南半球的澳大利亚中部地区^{[1, 2]}。由于¹³⁷Cs具有较长的半衰期, ¹³⁷Cs可以通过大气环流做长距离扩散, 并以湿沉降和干沉降方式降落至地表, 然后¹³⁷Cs迅速而牢固地被生物、土壤细粒和水体所吸附^[3]。由于长期的核试验和人类核活动的影响, 已经形成了全球性的人工核素¹³⁷Cs的地表污染。王沙陵等2001年的研究结果表明, 中国陆地¹³⁷Cs的γ辐射剂量均值在(7~18)×10^-10Gy·h^-1之间, 约占陆地总γ辐射剂量率的1% ~3%, 与其他任何一种天然放射性核素的贡献相接近^[4]。因此, 有效监测环境中¹³⁷Cs的活度浓度, 对于了解因人类核活动可能造成的环境γ辐射水平的附加剂量是必要的。朱昌寿1994年研究指出, 由于当前环境介质(土壤与水)与食品中人工放射性核素水平很低, 若无限加大样品采样量、延长测量时间、研制更低本底的测量仪器可以测出更低活度浓度的核素, 但从大范围监测角度要花费大量经费和力量不一定是最可取的方案^[5]。通过实验测量, 分析了在全球陆地广泛分布、易于采集的壳状地衣作为监测环境中¹³⁷Cs活度浓度敏感监测剂的可行性。

利用1993年在中国南极长城站地区采集的壳状地衣、枝状地衣、苔藓和表层土壤样品, 共计7个南极环境样品, 其样品采集点的地理位置如表 1所示。所有样品及时在南极长城站实验室105℃烘干24 h, 然后研成粉末状, 分别装入聚乙烯袋中密封保存。1994年又在远离人类工业活动的河北省雾灵山国家级自然保护区裸露的花岗岩山坡、河南省渑池县南村黄河南岸的裸露砂岩山坡采集了壳状地衣样品, 在河北省丰宁满族自治县大滩(即坝上高原)采集了表层土壤样品, 样品的采集地点地理坐标如表 1所示, 这些样品均采取相同的预处理方法, 且表土样品烘干后均过60目的尼龙土壤筛, 并分别称重后装入聚乙烯袋中密封保存。

表 1 Table 1

表 1 样点位置及样品137Cs活度浓度

表 1 样点位置及样品137Cs活度浓度

运用美国EG & G ORTEC公司生产的ADCAM100超低本底γ谱仪进行环境样品中¹³⁷Cs活度浓度的测定.所有样品经准确称量后, 分别装入直径75 mm高25 mm的圆柱形塑料样品盒内, 并将样品铺平, 使所有样品的几何形状保持一致并密封, 然后将样品盒直接放在探测器表面测量样品中¹³⁷Cs的活度浓度。探测器为高纯锗探测器, 其对NaI晶体的探测效益为52%, 对⁶⁰Co 1 332 keV能量分辨率为1.71 keV, 谱仪在30~ 2 000keV能区内的积分本底约为3 cps.测量时探测器置于壁厚10 cm、内腔60 cm×60 cm×60 cm的复合屏蔽铅室内。环境样品的测量时间根据其放射性水平而定, 在测量10 000 s时, 如测量统计计数误差＜10%, 即可结束测量, 否则继续测量, 直至测量统计计数误差＜10%为止.上述样品的测量时间一般在10 000~80 000 s之间。超低本底γ谱仪配有集谱数据获取、刻度和分析于一体的谱分析软件A66 -B32, 其检测依据GB 11743-89环境样品中放射性核素的γ能谱分析法。其测量结果如表 1所示。

由表 1显示, 在远离人类核活动中心地区的南极长城站地区, 其陆地生态系统(即土壤及植物体)中已经监测到人工放射性核素¹³⁷Cs的存在。在南极长城站陆地生态系统中, 壳状地衣体中¹³⁷Cs活度浓度多在(56.38 ±14.18)Bq/kg以上; 枝状地衣体中¹³⁷Cs活度浓度在30 Bq/kg左右; 苔藓体中¹³⁷Cs活度浓度在25 Bq/kg左右; 土壤表层中¹³⁷Cs活度浓度更低, 其活度浓度与土壤质地和有机质含量密切相关。Baeza等测量了与南极长城站所在乔治王岛(King George Island)比邻的利文森岛(Living ston Island)地区的环境样品, 其结果显示南极枝状地衣中¹³⁷Cs活度浓度为(17.2±0.3)Bq/kg, 苔藓体中¹³⁷Cs活度浓度为(3.6 ±0.1)Bq/kg, 藻类体中¹³⁷Cs活度浓度则不足0.012 Bq/kg, 陆地淡水和海水中¹³⁷Cs活度浓度分别为(0.33 ±0.11)mBq/L和(0.20±0.12)mBq/L^[6]。Desideri等2003年测量了南极大陆沿海地区(75°S, 165°E)地衣灰分中¹³⁷Cs活度浓度为47.5~162.0 Bq/kg、苔藓灰分中¹³⁷Cs活度浓度为11.3~49.9 Bq/kg、土壤中¹³⁷Cs活度浓度为0.1~1.4 Bq/kg^[7]。这些结果均表明人类核活动的产物已经随大气环流及平流层扩散或迁移到南极地区。

在远离人类工业活动的河北省雾灵山、丰宁坝上和河南省渑池县境内的陆地生态系统中, 其壳状地衣体中¹³⁷Cs活度浓度高达(294.69±35.81)Bq/kg以上, 其土壤表层中¹³⁷Cs活度浓度则在10~17 Bq/kg之间, 其活度浓度与土壤性状及地表侵蚀堆积过程相关。常宏等1995年的测量结果表明, 在甘肃省粮食、蔬菜、水果、肉类和蛋奶中¹³⁷Cs活度浓度均值分别为0.034、0.033、0.019、0.10和0.022 Bq/kg^[8]。朱阿娜2000年测量了青海省生物样品及生活饮用水中¹³⁷Cs放射性水平, 即面粉、白菜、芹菜、牛奶及饮用水中¹³⁷Cs活度浓度均值分别为(32.7 ± 15.7)、(32.3±18.7)、(189.0±128.4)、(38.3±13.4)和(5.20±2.42)mBq/kg^[9]。

由此可见, 壳状地衣体中¹³⁷Cs活度浓度值比土壤表层中的¹³⁷Cs活度浓度值高出一个数量级, 壳状地衣体中¹³⁷Cs活度浓度值比粮食、蔬菜、水果和蛋奶肉品中¹³⁷Cs活度浓度值高出三个数量级以上。中国北方地区壳状地衣体中¹³⁷Cs活度浓度值也比南极长城站地区壳状地衣中¹³⁷Cs活度浓度值高出一个数量级, 因此, 壳状地衣是监测陆地环境中¹³⁷Cs活度水平的极为敏感的指示剂。

壳状地衣是真菌和藻类共生构成共同体, 其中藻类制造有机物, 而真菌则吸取水分并包被藻体, 两者以不同程度的互利方式相结合^[10]。地衣体在结构上具有上皮层、藻层和髓层。壳状地衣具有以下特征:首先, 壳状地衣的适应能力很强, 特别能耐寒耐旱, 在生活中对养分的要求不高, 广泛分布于世界各地, 只有在空气污染严重的城市或工业区比较少见。因此, 运用壳状地衣监测陆地环境中¹³⁷Cs活度浓度水平具有广泛性, 以及采样操作的简易性; 其次, 壳状地衣是非维管束类植物, 其地衣体表面积较大, 地衣体通过表面吸附获取营养, 极易于吸收大气悬浮物, 再加生长速度慢和生命周期较长, 这使得壳状地衣成为环境中能高效富集¹³⁷Cs核素的重要生物体; 第三, 壳状地衣多生长在裸岩和陡峭的崖壁上, 故它对大气沉降物中¹³⁷Cs核素的吸收与富集作用, 不受其他植物遮盖的影响, 也少受雪被覆盖的影响。由此可见, 壳状地衣可作为监测环境中¹³⁷Cs核素远距离传输及其活度水平的敏感指示剂。