【研究の背景と目的】

福島第一原発事故によって環境中に放出された放射性セシウムは、福島県東部及び近隣の森林域に広く沈着した。半減期の長い放射性セシウムの森林における挙動の解明は、除染の判断、林産物への影響、近隣住民の線量評価等に対して重要な課題である。そのため、現在は大部分が地表に留まっている放射性セシウムについて、降雨等の自然現象に伴う移動量や速度を正確に捉えることが不可欠である。

一般に、土壌中の放射性セシウムは水とともに移動する。そのため、その移動過程は、ライシメーター2)を用いて、定量的かつ継続的に捉えることが可能である。また、この測定結果を、降水量や温度等の気象条件と関連付けることで、放射性セシウムの移動に影響する因子を特定できる。

本研究では、福島県山間部の約7割を占める褐色森林土1)における放射性セシウムの移動実態を明らかにするために、福島県に隣接する茨城県北部の国有林を試験地として、福島第一原発事故後から2年以上にわたり、ライシメーターを用いて、土壌浸透水に含まれる放射性セシウムを継続的に観測してきた。ライシメーターによる事故後まもなくからの連続観測は、チェルノブイリ原子力発電所事故等を含めてこれまでになく、本研究ではじめて適用され、放射性セシウムの移動量とその時間変化を解明した。

【研究の手法】

調査は、福島第一原発の南西約65kmに位置する茨城県北部の落葉広葉樹林(図1)において、2011年5月から開始した。環境モニタリングや除染で一般に適用されている土壌深さ5cmを基準に、その上下の移動量を明らかにするため、落葉層のみ、土壌厚さ5cm、同10cmのライシメーターを設置した(図2)。

落葉層、土壌を通過し回収された土壌浸透水は、孔径0.45µmのろ紙でろ過後に濃縮して、ゲルマニウム半導体検出器による核種分析で放射性セシウム濃度(134Cs及び137Cs)を測定した。また、その中に含まれる溶存態有機炭素3)濃度を全有機炭素計によって測定した。さらに、定期的に土壌サンプルを採取し、深さごとの放射性セシウム濃度を測定した。

ライシメーター及び核種分析から得た測定値から、以下の定義に従い移動率を評価した。

移動率 = 期間あたりの放射性セシウム移動量/上層の放射性セシウム蓄積量 × 100(%/期間)

ここで、「期間あたりの放射性セシウム移動量」はライシメーターで観測した特定の深さにおける期間あたりの放射性セシウムの移動量、「上層の放射性セシウム蓄積量」はそのライシメーターより上層(落葉層及び土壌)の放射性セシウムの総蓄積量である。すなわち、移動率はある期間における、ライシメーターより上層に蓄積した放射性セシウムのうち下層へ移動した量の割合をあらわす。

134Csと137Cs の挙動は同じであったため、以下では、半減期が長く長期間にわたって影響をもたらす137Csの結果のみを示す。

【得られた成果】

図3に土壌サンプルの測定から得られた落葉層、土壌の深さ10cmまでの1m2あたりの137Cs蓄積量の時間変化を示す。1m2あたりの137Cs総蓄積量は、観測期間を通じて約20kBq/m2で大きな変化はなかった。しかし、その分布を見ると、2011年5月から12月までの間に、落葉層にある137Csの大部分は土壌表層0-5cmへ移動し、その後は変化が見られなかった。すなわち、放射性セシウムの主要な移動は、事故後数カ月以内に、最初に沈着した落葉層から土壌表層0-5cmに浸透したことが分かる。放射性セシウム濃度及びその変化の傾向は、国等のモニタリング調査による結果とも整合している。

土壌サンプルの測定からは得られない放射性セシウムの移動量の時間変化を、ライシメーターによる連続観測から明らかにした。図4に、ライシメーターで測定した、深さ5cmまで移動した137Csの濃度と移動率の時間変化を示す。この結果から、以下の事が明らかになった

  1. 事故後数カ月以内の放射性セシウムの土壌への浸透は、降水量の多い時期に雨水による洗い出しによって生じた。
  2. 以降の移動率は降水量と温度に依存し、1年間の単位で変動を繰り返す。
  3. 年当たりの移動率は事故後の経過時間とともに減少する傾向にある。蓄積量に対して、2011年度(2011年5月〜2012年3月)に0.5%が、2012年度に0.2%が、5cmまで移動していた。
  4. ろ紙上の粒子状成分からは放射性セシウムが検出されなかったため、放射性セシウムは土壌浸透水に溶解して移動していることが分かった。

上記と同様の傾向は、土壌深さ10cmのライシメーターによる観測でも見られ、10cmまで移動した137Csは蓄積量に対して各年0.2%、0.1%であった。以上の結果から、福島第一原発事故由来の放射性セシウムは浸透水により土壌深くまで移動していたが、その割合は小さいことが確認されるとともに、移動速度の変化が明らかになった。

図5に、2012年度に観測された落葉層から浸透した溶存態有機炭素及び137Csの濃度と、温度との関係を示す。溶存態有機炭素及び137Csの濃度は、温度の上昇とともに増加している。溶存態有機炭素は落葉落枝の分解により溶出するものであり、図5から温度の上昇によって落葉落枝の分解が促進され、付着していた137Csが落葉層から土壌へ供給されることが示された。すなわち、落葉層から土壌への放射性セシウムの移行は、事故から1年以内は主に雨水の洗い出しによって起こり、それ以降は落葉落枝の分解により緩やかに進行していることが明らかになった。図4に示した土壌層を通過した浸透水中の放射性セシウムの濃度も、落葉層の放射性セシウム濃度と同様に気温の変動に応じて変化をしている。すなわち、土壌層を通過した放射性セシウムは、落葉層から供給された放射性セシウムが直接浸透したものであり、土壌鉱物や土壌中の有機物から再溶出したものの影響は、現時点ではほとんどないと言える。これより、放射性セシウムは、今後も10cmより深くまで移動する割合は小さく、地下水を経由して森林地帯から周辺地域には流出しにくいと考えられる。一方で、土壌表層に蓄積した放射性セシウムが、森林生態系の内部循環にどのように取り込まれていくのか、注視していく必要がある。

【今後の予定】

本研究で得られた落葉層及び土壌における放射性セシウムの移動速度に係るパラメーターを、原子力機構が開発を進めている包括的物質動態予測システム(SPEEDI-MP)4)に適用することで、森林生態系の内部循環による林産物への移行や、森林外の周辺地域への移動による、公衆への影響の将来予測を行う予定である。

図1 調査を行った茨城県北部の落葉広葉樹林

図2 ライシメーターを用いた土壌浸透水の連続採取

図3 1m2あたりの137Cs蓄積量の時間変化

図4 深さ5cmまで移動した137Csの濃度と5cmより上部の137Cs蓄積量に対する移動率の時間変化

図5 2012年度に観測された落葉層から浸透した溶存態有機炭素及び137Csの濃度と温度との関係


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