Материал: Курс лекций техноген рад-дов в почве

4. Факторы, влияющие на поступление радионуклидов из почвы в растения

Величина накопления радионуклидов растениями зависит от следующих основных показателей: 1) свойств радионуклидов и форм нахождения их в почве; 2) физико-химических параметров почвы; 3) биологических особенностей растений; 4) агротехники возделывания; 5) погодно-климатических условий.

Поступление и распределение радионуклидов по растению определяется их свойствами и участием в процессах обмена веществ. Из водного раствора ионы одновалентных радионуклидов поглощаются интенсивнее, чем ионы двух- и трехвалентных радионуклидов. Известно, что ⁶⁰Со, ¹⁰⁶Ru и ¹⁴⁴Се поглощаются в 10 и более раз меньших количествах, чем цезий и стронций. Из почвенных частиц одновалентные ионы поглощаются незначительно, потому что они прочно фиксируются. При поступлении из водного раствора коэффициент накопления Сs-137 значительно выше, чем Sr-90. При поступлении из почвенно-поглощающего комплекса коэффициент накопления цезия-137 намного меньше, чем стронция-90 (табл.5). Это связано с более прочной сорбцией цезия-137 минеральной частью почвенно-поглощающего комплекса.

Таблица 5. Коэффициент накопления радионуклидов в зерне и соломе ячменя

В наземную часть растений ионы низких валентностей переносятся активнее и в больших количествах, чем ионы высоких валентностей, которые до 90-99% концентрируются в корнях. Из поступивших в корни цезия-137 и стронция-90 в корнях остается 20-40%, а 60-80% переносится в наземные органы, где они распределяются неравномерно. Обнаружено сходство в поглощении и продвижении по растению цезия-137 и калия, стронция-90 и кальция, а также радиоцезия и стабильного цезия, радиостронция и стабильного стронция.

Большинство радионуклидов наведенной активности являются биологически важными микроэлементами, которые накапливаются преимущественно в корнях, кроме ⁶⁵Zn и ⁵⁴Mn, которые накапливаются в наземной части и репродуктивных органах, где Кн по культурам изменяются до 10 раз. Трансурановые радионуклиды имеют очень низкие коэффициенты накопления (n·10^-2 – 10^-10), так как у них ограничено поступление в корни и перенос из них в вегетативные органы. Накопление снижается в ряду: нептуний > америций > кюрий > плутоний.

Уровень аккумуляции трансурановых элементов (ТУЭ) зависит от видовой принадлежности как для дикорастущих, так и для сельскохозяйственных растений. Для луговых трав наиболее высокая концентрация ТУЭ отмечается у трав семейства бобовых. ТУЭ поступают в растения в настоящее время преимущественно корневым путем. Преобладающий вклад в суммарное загрязнение наземной массы растений ТУЭ вносит америций-241, что свидетельствует о более высокой биологической подвижности америция-241 по сравнению с изотопами плутония. Максимальные уровни накопления ТУЭ наблюдаются в корнях. В наземных органах растений распределение ТУЭ неравномерное, при этом накопление в листьях луговых растений плутония-239, 240 и америция-241 в 4-140 раз выше, чем в стеблях. Для америция-241 установлены более высокие коэффициенты накопления (до 0,9) по сравнению с изотопами плутония. Содержание изотопов плутония-239 и 240 в наземной фитомассе луговых растений, произрастающих в естественных фитоценозах с ненарушенной дерниной, изменяется от 0,003 до 0,02 Бк/кг, а содержание америция-241 от 1,7 до 8,9 Бк/кг, что обусловлено их нахождением в верхних слоях почвы (0-3 см), т.е выше мест расположения корневых систем растений. При вспашке почвы ТУЭ распределяются в пахотном слое равномерно, увеличивается контакт радионуклидов с корневыми системами и содержание этих радионуклидов в фитомассе растений значительно возрастает и может составлять по изотопам плутония 0,027-0,220 Бк/кг, а по америцию-241 – 6,07-10,67.

Поступление радионуклидов зависит от времени и форм нахождения их в почве, от концентрации доступных форм в корнеобитаемом слое почвы. После аварии на ЧАЭС наиболее интенсивно поступление цезия происходило в первые 2 года. К концу 5-го года содержание обменного цезия в почве уменьшилось в 3 и более раз и вышло на стационарный уровень, т.е. стабилизировалось. Таким образом, со временем уменьшается содержание доступных для растений форм цезия-137 и снижается его поступление в растения. Подвижность и доступность стронция-90 практически не изменяется со временем, потому что он находится в обменной и водорастворимой формах, которые хорошо доступны для корневого усвоения.

Среди почвенных характеристик наибольшее влияние оказывают гранулометрический и минералогический состав, агрохимические показатели почвы и режим увлажнения почвы. Гранулометрический состав влияет на сорбцию радионуклидов, которая зависит от степени дисперсности частиц. Чем больше в почве глинистых частиц, тем прочнее сорбция радионуклидов и тем меньше коэффициенты накопления радионуклидов растениями. На почвах тяжелого гранулометрического состава с высоким содержанием глин радионуклиды накапливаются в растениях в меньших количествах, чем на почвах легкого состава. Основное влияние на накопление радионуклидов оказывает илистая фракция, в состав которой входят глинистые минералы группы монтмориллонита и гидрослюд. В зависимости от типа почвы при одинаковой плотности загрязнения их Сs-137 и Sr-90 коэффициенты пропорциональности для этих радионуклидов могут различаться в 6 и более раз (табл. 6).

Таблица 6. Влияние гранулометрического состава почв на

Поступление цезия-137 и стронция-90 в сельскохозяйственные культуры

Примечание: К_п цезия-137 приведены при содержании в почве обменного калия 200-300 мг/кг почвы, К_п стронция-90 даны при рН равной 5,6-6,0.

Например, Кп цезия-137 для картофеля на дерново-подзолистой песчаной почве составляет 0,04, а на дерново-подзолистой суглинистой – 0,03. Для стронция-90 коэффициенты пропорциональности на этих почвах составляют соответственно 0,35 и 0,15. Коэффициенты перехода радионуклидов на разных типах почв при одинаковой плотности поверхностной загрязненности могут различаться в 10–20 раз, а иногда до 100 раз. Цезий-137 менее доступен для растений, что связано с его необменной сорбцией в кристаллических решетках глинистых минералов. Накопление растениями цезия-137 и стронция-90 на черноземных почвах соответственно в 20 и 10 раз ниже, чем на дерново-подзолистых почвах. Это связано с тем, что у черноземов богатый почвенно-поглощающий комплекс, насыщенный физической глиной, илом, гумусом и обменными катионами, что обеспечивает высокую емкость поглощения этой почвы и, следовательно, меньшее поступление радионуклидов в растения. На более тяжелых почвах Sr-90 накапливается в растениях в 5–10 раз интенсивнее, чем Сs-137. На Полесье преобладают супесчаные легкие дерново-подзолистые и торфяно-болотные почвы и коэффициенты перехода цезия-137 в растения здесь в 4–5 раз выше, чем в других районах Беларуси. Накопление Сs-137 и Sr-90 в растениях одних и тех же культур здесь практически не отличается, т.е. Кп цезия-137 примерно равны Кп стронция-90, потому что при дефиците глинистых минералов Cs-137 находится в этих почвах в водорастворимой и обменной формах (табл. 7).

Таблица 7. Коэффициенты пропорциональности для зеленой массы

Стронция-90 и цезия-137 на торфяно-болотных почвах

Примечание: Кп Сs-137 даны при содержании обменного калия 251-500мг/кг почвы, Кп для Sr-90 даны при рН более 4,7.

Накопление радионуклидов на торфяно-болотных почвах зависит от окультуренности почвы, минерализации и состава золы почвы, толщины торфяного слоя, ботанического состава торфообразующих растений, кислотности почвенного раствора и наличия обменных катионов, влажности почвы, глубины залегания и минерализации грунтовых вод. Изучение закономерностей накопления радионуклидов на торфяно-болотных почвах Брагинского и Хойникского массивов показало, что более высокая зольность почв, повышенное содержание карбонатов, минералов илистой фракции, а также более низкая влажность почв Брагинского массива способствуют меньшему накоплению радионуклидов в растениях, чем на почвах Хойникского массива. С увеличением мощности торфяного слоя возрастает поступление цезия и стронция в растительность, так как снижается зольность почвы.

Особенности накопления радионуклидов растениями на разных типах почвы следует учитывать при производстве сельскохозяйственной продукции.

Доказано, что все агрохимические показатели почвы, способствующие повышению плодородия почвы и усилению сорбции радионуклидов почвой, снижают их поступление в растения. Большинство агрохимических показателей почвы тесно связаны между собой, поэтому степень действия каждого отдельного свойства зависит от влияния всего комплекса. Наиболее существенное влияние на поступление Сs-137 в растения на дерново-подзолистых почвах оказывает содержание обменных катионов К⁺ , Мg²⁺, Са²⁺ и гумуса, которые определяют емкость катионного обмена и кислотность почвы. Установлена (табл. 8) отрицательная зависимость между коэффициентами перехода в растения Сs-137 и содержанием в почве обменного калия (К₂О).

Таблица 8. Коэффициенты перехода Сs-137 в продукцию растениеводства

В зависимости от обеспеченности обменным калием дерново-подзолистой суглинистой почвы

Обменный калий оказывает конкурентное влияние на поступление цезия-137, т.е. чем больше обменного калия в почве, тем меньше поступление цезия-137. Известно, что чем больше в ППК обменного калия, тем быстрее происходит закрепление цезия-137 в минеральной части почвы, что снижает его переход в растения.

Насыщение дерново-подзолистой почвы обменным калием выше оптимального уровня (300 мг/кг почвы) не сопровождается снижением поступления цезия-137 в растения. Для торфяно-болотных почв оптимальный уровень содержания в почве обменного калия не должен превышать 1200 мг/кг почвы. Установлено положительное влияние обменного калия почвы и на коэффициенты перехода стронция-90 в растения. Однако эта зависимость менее выражена, чем для цезия-137.

Установлена отрицательная зависимость между содержанием обменного кальция, уровнем кислотности почвенного раствора и поступлением в растения стронция-90. То есть, чем больше в почве обменного кальция и чем меньше кислотность почвенного раствора, тем меньше коэффициенты перехода стронция-90 в растения. Эта закономерность характерна и для цезия-137, но связь менее сильная. По мере повышения содержания обменного кальция с 550 до 2000 мг СаО на кг почвы Кп Sr-90 снижаются в 1,5–2 раза. Изменение кислотности почвенного раствора от кислого интервала (рН = 4,5-5,0) к нейтральному интервалу (рН = 6,5-7,0) снижает переход стронция-90 в растения в 2-3 раза (табл. 9).

Таблица 9. Коэффициенты перехода Sr-90 в продукцию растениеводства

В зависимости от кислотности дерново-подзолистой суглинистой почвы