本文根據築波大學科研成果發佈資料編譯而成

東京電力福島第一核能電廠發生的大規模核事故釋放了大量放射性物質，包括半衰期較長的放射性銫。雖然事故發生後，日本立即開展了各種環境觀測並公佈了結果，但每一項都只是某個時期的部分結果。福島的環境污染隨時有死灰復燃的跡象，國際上的關注度也非常高。因此，需要把迄今爲止的研究結果整合起來，但此前並沒有對現有的研究進行客觀總結和科學驗證的論文。

築波大學生命環境系/同位素環境動態研究中心（CRIED）的恩田裕一教授、日本原子力研究開發機構福島研究開發部門廢堆環境國際共同研究中心的吉村和也研究主任，以及福島大學環境放射能研究所的脅山義史講師組成的研究團隊，全面收集了200多篇關於福島陸地環境觀測的研究論文，重點明確了放射性銫137（以下簡稱137Cs）造成的陸地污染情況及環境恢復的全貌。

研究團隊收集了此前發表的210多篇關於放射性物質在福島第一核能電廠方圓80公里範圍内及阿武隈川流域（面積合計爲9862km2，137Cs降落量爲2.7PBq，參考圖1）的行程情況的論文，並進行了驗證。特別是針對事故中釋放的主要放射性物質137C，整合了陸地上的各種行程路徑和因素，包括（1）137Cs經由森林和土壤的沉積物，（2）從丘陵地帶的再行程，（3）從水田向河流的行程，（4）城市地區的活動和去污的影響，（5）經由河流的行程等（圖1）。另外，還與切爾諾貝利的研究成果進行了比較。

圖1：137Cs在陸地的行程及監測模式圖
降落到地面上的2.7PBq的137Cs中，有67％沉積物到森林中，10％沉積物到水田中，7.4％沉積物到旱田和草原中，5％沉積物到城市地區。據計算，在事故發生後的6年裏，透過河流從陸地流入海洋的137Cs約佔其中的4.8％（2011年6月～2017年3月期間，阿武隈川）。包括137Cs的物理可用能衰減（同期爲13％）在内，殘留在阿武隈川流域的137Cs約爲82％。

由此，研究團隊明確了福島陸地環境的污染及恢復情況全貌，並面向全世界公開。

· 在森林中的積存和行程

陸地上受福島第一核能電廠事故釋放的放射性銫（137Cs）影響最嚴重的部分是森林。森林面積佔受影響地區的總面積的60％（圖1）。在森林中，除了直接落到地面的137Cs外，還有被樹枝樹葉臨時擷取，之後又落到地面的，而且不同的樹木品種，污染等級也各不相同。研究發現，137Cs在森林裏的行程情況和分佈情況的時間變化會受到樹木品種（常綠針葉樹,松柏類和落葉闊葉樹）及森林特徵（樹和枝葉的密度等）的影響，這些因素決定着137Cs透過雨水及落葉和落枝向地面行程的速度（圖 2）。

關於樹體（包括樹皮＋樹幹＋枝葉在内的整棵樹木）中的137Cs積存情況，常綠針葉樹,松柏類在事故發生1年後減量約60％，之後也在持續減量，事故發生8年後減至初期沉積物時的2％左右（圖2b）。落葉闊葉樹在事故發生1年後減至事故初期的約60％，雖然樹體的積存量減量，但之後受樹根吸收的影響，樹幹的積存量出現增加的趨勢，即使是事故發生8年後，樹體中的137Cs積存量依然爲初期的91％（圖2f）。事故發生8年後森林地表的137Cs積存量方面，杉樹林表層土壤2cｍ以内深處的積存量爲初始沉積物量的54％，落葉闊葉樹林爲59％。

持續進行監測發現，一年内經由河流和泥沙等從森林流域流出的137Cs的量還不到流域初始沉積物量的0.3％，137Cs幾乎全部殘留在了森林生態系内。

圖2：森林中的放射性銫的行程情況及分佈情況的時間變化
在「各部位的存在量」（單位爲kBqm-2）中，括弧内的數位表示相對於各個時期的整體存在量的比例。另外，「各行程路徑的貢獻率」表示在從樹冠行程到地面的137Cs的量中，各個路徑的貢獻率。

· 在土壤中下沉

137Cs會蠻力吸附在土壤顆粒上。因此，事故發生後，因事故而沉積物的137Cs有99％以上存在於土壤表層深度爲10cm以上的部分。土壤自身有屏蔽輻射的效果，所以地面上的空氣吸收劑量率會大幅受到137Cs在表層10cm的土壤中的分佈和行程的影響。137Cs在土壤中的深度分佈可以用指數函數式來近似計算，係數β越大，表示向下行程得越深。β被稱爲重量環域分析深度，會隨着事故後的時間推移而逐漸增加，也就是說，會逐漸向下方行程（圖3d）。下移速度在棄耕的水田中最快，每年約爲1.3cm， 3年後，土壤表層的137Cs濃度急劇減量，在表層10cm的範圍内變得基本均勻（圖3b）。耕種水田表層2cm深處的137Cs濃度在2012年時約爲15％，殘留量顯著減量（圖3c）。

另一方面，在城市地區不受干擾的土壤中，以每年平均約0.3cm（按考慮到土壤密度的重量深度換算，每年約爲0.3gcm-2）的速度下移，影響了空氣吸收劑量率的降低，但行程到10cm以下深度（最深20cm）的137Cs在2017年時不到10％。在森林中，落葉持續供應137Cs，因此137Cs會持續停留在土壤表層附近（圖3a、d）。

圖3：各種土壤中的137Cs濃度的深度分佈與重量環域分析深度β的時間變化

· 放射性物質隨着土壤侵蝕行程

研究團隊對從水田、旱田、草原、城市地區及森林裏流出來的放射性銫進行觀測發現，因土壤侵蝕而以懸浮態流入河流中的137Cs的濃度會隨着土地的利用類型和事故發生後經過的時間而變化（圖4）。

在水田中，事故發生後半年内，正規化的137Cs的濃度 （Sc）會比其他土地類型高出1位數，但到事故發生後1年的時候會急劇減量，降到與其他土地類型相同的水平。終極因數被認爲是，在耕種的農田裏，耕作會使137Cs濃度較高的表層土壤與137Cs濃度較低的深水層土壤混合，由此使得暴露在表層的137Cs的濃度降低，並且長期保持這種狀態。另外，從城市地區流出的放射性銫中，懸浮態的正規化137Cs的濃度在事故發生1年後爲森林流域的2.4倍，但之後急劇減量，4年後降至森林流域的1.5倍（圖4）。

另一方面，從森林中流出的137Cs濃度降低速度比較慢（降低速度約爲城市地區的60％，圖4）。

圖4：從砂土生產源流出的砂土中含有的正規化137Cs濃度在福島第一核能電廠（FDNPP）事故後的時間變化

· 從河流中流出的137Cs

關於福島第一核能電廠事故後經由河流行程的137Cs的情況，研究團隊以築波大學和福島縣爲中心，進行了長期、大範圍的監測，發現經由河流進入海洋的137Cs的總量約爲最初沉積物到陸地上的總量的4.8％（2011年6月至2017年3月期間，阿武隈川），其中96.5％以懸浮態被運送到下游（圖1）。

另外還發現，沿河流而下的137Cs濃度的時間變化與流域的土地利用情況密切相關。尤其是生活圈（水田、旱田、城市地區＝PFU）對流域的覆蓋率較高的河流，事故發生後1年内濃度急劇下降（圖5A）。在從水田及城市地區流入河流的137Cs的濃度調查中也觀測到了這種傾向。之後濃度依然持續緩慢下降，事故發生6年後，阿武隈川的懸浮態137Cs的濃度降低到了事故剛剛發生後的2％（圖5B）。

圖5：福島第一核能電廠事故後，137Cs經由河流行程的時間變化圖。A．按流域的初始沉積物量正規化的溶解態137Cs的濃度。B．按流域的初始沉積物量正規化的懸浮態137Cs的濃度。C．流域的137Cs流出率（每4個月）。

· 137Cs以外的放射性物質

在福島第一核能電廠事故中，除放射性銫之外還有其他核素也被釋放到環境中。放射性鍶（Sr）和鈈（Pu）等也在福島被觀測到，但分佈量非常低。例如，調查發現，福島第一核能電廠50km範圍内的土壤中的90Sr的濃度只有137Cs的1/100～1/10,000。另外還發現，土壤中存在的Pu中，來自福島第一核能電廠的只有約7％，其餘均來自以往的大氣覈實驗。

· 與切爾諾貝利核能電廠事故的比較

福島與切爾諾貝利的森林特徵、土地利用形態、地形及降水量等自然條件不同，因此研究人員此前預測兩地陸地的137Cs動態也不同。但此前一直沒有根據全面的監測調查結果對兩地的137Cs動態進行比較的研究結果。

此次驗證發現，在福島的森林裏，事故初期137Cs隨着雨水從樹冠向地面行程的速度比切爾諾貝利的森林快。終極因數被認爲是福島的降水量較多（福島縣：1200mm/年，切爾諾貝利 ：650mm/年）。另外還發現，日本高密度種植的杉樹人工林等，樹冠的生質含量較多，因此從長期來看，行程速度會變得與切爾諾貝利相同或稍慢。

調查發現，透過雨水和落葉行程到地面的137Cs會隨着時間的經過從落葉層快速行程到下方，並積存在土層中，因此很難流出，河水中的溶解態和懸浮態137Cs的濃度比歐洲各國的森林河流低一位數（圖5A、B）。此外發現，在由陡峭的地形構成的福島山林中，含137Cs的部分落葉有時還會行程到山坡下方，透過河流流出去，不過主要是透過溪流部分叉流出，如前所述，一年的流出量還不到初始沉積物量的0.3％，流到森林以外的量非常少（圖5C）。

研究團隊還發現，在福島，地表的137Cs含量的減量速度比切爾諾貝利快。這是因爲，福島地形陡峭，降水量也比較多，而且水田和旱田一直在耕種，城市地區有人類活動，還實施了去污等，而切爾諾貝利的大部分叉流域都是人類活動有限的森林和棄耕的農田。

例如，表示放射核種的地下滲透情況的137Cs重量環域分析深度β，在福島的耕種水田中的值是切爾諾貝利災區的2～4倍（圖3d）。表層土壤是河流浮游顆粒的來源，因此福島河流中的初期（事故後1年）懸浮態137Cs的濃度降低速度也比流經切爾諾貝利的普里皮亞季河快1.6倍左右（圖5B）。在溶解態的正規化137Cs的濃度方面，福島河流中的濃度也始終比切爾諾貝利事故後的歐洲河流低2位數左右。這表明福島河流中的137Cs濃度的降低速度非常快（圖5A）。淡水魚中的137Cs濃度雖然在目前的定期監測中大部分都降到了標準值以下，但偶爾也會發現超通過規定標準的，已知淡水魚中的137Cs濃度與溶解態137Cs的濃度密切相關。此次研究發現，與溶解態137Cs的濃度一樣，福島淡水魚的污染等級也比切爾諾貝利事故後的歐洲淡水魚低1、2位數，說明污染的恢復速度要比根據切爾諾貝利的情況預測的速度快。

由於流域内的土地利用情況直接影響河流中的懸浮態137Cs的濃度，河流中的懸浮態與溶解態137Cs的濃度比例（Kd）也沒有隨着時間發生變化，因此研究團隊判斷認爲，切爾諾貝利事故後圍繞歐洲的河流提出的、溶解態137Cs的濃度降低是因爲137Cs逐漸被土壤顆粒蠻力吸附的說法並不適合福島。研究團隊綜合這些結果取得了新發現，即至少在福島，源自砂土的放射性物質濃度降低使得懸浮態137Cs的濃度降低，從而引起了溶解態137Cs的濃度降低。

論文資訊
題目：Radionuclides from the Fukushima Daiichi Nuclear Power Plant in terrestrial systems
期刊：Nature Reviews Earth & Environment
DOI ：10.1038/s43017-020-0099-x

延申閱讀
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研究成果發佈資料
編譯：JST客觀日本編輯部