Задание 7.3. Расчет ограничений плотности загрязнения почв цезием-137 и стронцием-90 при возделывании сельскохозяйственных культур

Предельно допустимая плотность загрязнения почв, при которой по­лученный урожай будет соответствовать Республиканским допустимым уровням, определяется путем деления нормативной предельно допустимой величины загрязнения продукции на коэффициент перехода при соответствующем уровне плодородия почв. Например, необходимо определить предельно допустимую плотность за­грязнения дерново-подзолистых супесчаных почв цезием-137, при которой содержание радионуклида в сене многолетних злаковых трав не будет превышать уровни, до­пустимые при производстве цельного молока. Обеспеченность почв подвижным калием составляет 120 мг/кг почвы. Значение коэффициента перехода Cs-137 в сено многолетних злаковых трав при данном содержании калия в почве равно 1,59 (приложение 4). Допустимое содержание Cs-137 в сене для производства цельного молока составляет 1300 Бк/кг (приложение 3). Предельно допустимая плотность загрязнения почв, исходя из расчета (1300:1,59), со­ставит 817,6 кБк/м², или 22 Ки/км².

Расчеты ограничения плотности загрязнения почв цезием-137 и стронцием-90 для возделывания картофеля с допустимым содержанием радионуклидов приведены в табл. 7.3 и 7.4.

Таблица 7.3. Ограничения плотности загрязнения дерново-подзолистых почв

Cs-137 для получения картофеля в пределах норм РДУ-99 в зависимости

От обеспеченности почв обменным калием, Ки/км2

Как видно из табл. 7.3, содержание цезия-137 в клубнях картофеля не будет превышать допустимых уровней на всех используемых в сельскохозяйственном обороте дерново-подзолистых почвах при содержании подвижного калия более 140 мг/кг почвы. Ограничения плотности загрязнения почв цезием-137 имеются для суглинистых почв с его содержанием менее 80 мг/кг почвы, для песчаных и супесчаных почв с содержанием менее 140 мг/кг почвы.

При содержании подвижного калия менее 140 мг/кг на почвах любого гранулометрического состава выращивание картофеля без дополнительных доз минеральных удобрений является нецелесообразным, так как содержание цезия-137 в клубнях может превышать установленные пределы.

Ограничения при возделывании картофеля могут быть обусловлены и уровнем загрязнения почв стронцием-90.

Результаты расчетов (табл. 7.4) свидетельствуют о том, что при уровне кислотности почв 6,1–7,0 продовольственный картофель с допустимым содержанием Sr-90 можно получать на суглинистых и супесчаных почвах при плотности загрязнения этим радионуклидом менее 0,8 Ки/км² (30 кБк/м²), песчаных – 0,4 Ки/км² (15 кБк/м²).

Таблица 7.4. Ограничения плотности загрязнения дерново-подзолистых почв

Sr-90 для получения картофеля в пределах норм РДУ-99 в зависимости от уровня кислотности почв, Ки/км²

При более низких значениях рН ужесточаются ограничения по плотности загрязнения их стронцием-90.

Материалы и оборудование: справочные значения коэффициентов перехода, Республиканские допустимые уровни содержания радионуклидов цезия-137 и стронция-90 в пищевых продуктах и питьевой воде, калькулятор.

Выполнение работы

1. Рассчитайте ограничения по плотности загрязнения почв цезием-137 и стронцем-90 (в кБк/м² и Ки/км²) при возделывании следующих сельскохозяйственных культур: овес (зерно), горох (зерно), кукуруза (зеленая масса), многолетние злаковые травы, рапс яровой (зерно и зеленая масса), зеленая масса на естественных сенокосах. Результаты представьте в виде таблиц (табл. 7.3 и 7.4).

2. Сделайте выводы об ограничениях плотности загрязнения почв радионуклидами цезия-137 и стронция-90 при возделывании различных сельскохозяйственных культур.

Контрольные вопросы

1. Какие показатели используются для количественной характеристики накопления радионуклидов растениями из почвы?

2. Дайте определение коэффициента накопления.

3. Дайте определение коэффициента перехода.

4. Для каких целей осуществляется прогнозирование содержания радионуклидов в продукции растениеводства?

5. Какой количественный показатель чаще всего используется при прогнозировании содержания радионуклидов в продукции растениеводства?

6. Где приведены справочные значения коэффициентов перехода цезия-137 и стронция-90 в растениеводческую продукцию?

7. В зависимости от каких почвенных характеристик ранжированы коэффициенты перехода цезия-137 и стронция-90?

8. Почему в сельскохозяйственной продукции прогнозируется только содержание цезия-137 и стронция-90?

9. По какой формуле рассчитывается прогнозное содержание цезия-137 и стронция-90 в продукции растениеводства?

10. Как определяется предельно допустимая плотность загрязнения почв цезием-137 и стронцием-90, при которой сельскохозяйственная продукция будет соответствовать требованиям РДУ-99?

11. От чего зависит величина предельно допустимой плотности загрязнения почвы цезием-137 и стронцием-90?

Лабораторная работа №8. Влияние биологических особенностей растений на накопление радионуклидов из почвы

Почвы агроценозов содержат естественные и искусственные радионуклиды, которые равномерно распределены в пахотном горизонте почвы. Из почвы в результате ионообменных реакций радионуклиды поступают через корни в растения, распределяются по растению и аккумулируются в органах. Большинство радионуклидов, поступивших в корни, в них и остается. По растению мигрируют преимущественно одно- и двухвалентные ионы радионуклидов, причем наиболее интенсивно – калий-40, цезий-137 и стронций-90.

Накопление радионуклидов растениями при корневом поступлении зависит от комплекса факторов, среди которых можно выделить четыре основные группы: физико-химические свойства радионуклидов, агрохимические и минералогические характеристики почвы, биологические особенности растений, агротехника возделывания культур.

Среди физико-химических факторов наибольшее значение имеют химические свойства радионуклидов и формы их нахождения в почве. Из почвенных характеристик оказывают влияние такие показатели, как тип почвы, емкость катионного обмена, кислотность, наличие и содержание в почве минералов группы монтмориллонита, каолинита, слюд и гидрослюд, гранулометрический состав почвы. Эти свойства, в свою очередь, влияют на сорбцию радионуклидов почвой.

К биологическим факторам, обуславливающим поступление радионуклидов, относят эволюционное происхождение, тип минерального питания растений, продолжительность вегетационного периода, продуктивность, тип и распределение корневой системы в почве.

Большое влияние на поступление радионуклидов в растения оказывает агротехника возделывания культур в условиях радиоактивного загрязнения земель: подбор культур с минимальными коэффициентами перехода радионуклидов в продукцию растениеводства, специальные способы обработки почвы, внесение повышенных норм (в 1,52 раза) известковых, калийных и фосфорных удобрений, внесение органических удобрений и микроэлементов, регулирование водного режима, а также использование биологически активных препаратов.

Из искусственных радионуклидов в окружающей среде и в агроценозах преобладает цезий-137, который является долгоживущим радионуклидом, его период полураспада 30 лет. Установлено, что в первые годы после аварии происходило снижение доли доступных для растений форм цезия-137 в различных почвах, а спустя 10 лет установилось равновесие форм, т.е наступила их стабилизация. В дерново-подзо­листых суглинистых почвах с высоким содержанием глинистых минералов за прошедший период доля доступных форм цезия-137 значительно уменьшилась по сравнению с 1986 г. и в настоящее время не превышает 5%. Основная доля радионуклида находится в связанной форме, потому что он легко входит в кристаллическую решетку глинистых минералов по механизму изоморфного замещения калия. В дерново-подзолистых супесчаных и песчаных почвах доля доступных форм цезия-137 находится в пределах 10–20%. Еще выше содержание доступных форм цезия-137 на торфяно-болотных почвах, занимающих около 13% территории республики. В то же время доля доступных для растений форм стронция-90 не только не снизилась, а даже несколько возросла. Она достигает в дерново-подзолистых почвах 70%, торфяно-болотных – 50%. В связи с этим при одинаковой плотности загрязнения почв цезием-137 и стронцием-90, поступление стронция-90 из почв в растения в среднем в 10 раз выше, чем цезия-137.

Задание 8.1. Изучение влияния видовых особенностей растений на накопление цезия-137

На накопление радионуклидов растениями оказывают влияние различные биологические особенности, среди которых выделяют эволюционное происхождение растений или филогенез, тип минерального питания, фаза развития растений и др.

Растения, имеющие раннее происхождение, накапливают больше радионуклидов, чем растения, возникшие в поздние периоды. По накоплению радионуклидов отделы флоры располагаются в следующем убывающем порядке: лишайники > мхи > папоротники > голосеменные > покрытосеменные. Различия по накоплению радионуклидов выявлены в пределах классов, семейств, видов и родов. Межвидовые различия могут достигать 5–100 и более раз. Содержание цезия-137 в расчете на сухое вещество у сельскохозяйственных культур может различаться до 50 раз, а накопление стронция-90 – до 30 раз при одинаковой плотности загрязнения почвы.

Накопление радионуклидов зависит от типа минерального питания, т.е. от потребности культур в калии, кальции и других элементах питания, а также от места расположения, типа и мощности корневой системы. Калиелюбивые культуры (свекла, картофель, овес, капуста) накапливают больше цезия, а кальциелюбивые культуры (люпин, люцерна, клевер, горох) накапливают больше стронция. Растения с мочковатой и корневищной корневой системой, расположенной в верхних слоях почвы, накапливают больше радионуклидов, чем растения со стержневой системой, которая проникает в более глубокие и «чистые» почвенные горизонты.

Значительное влияние на накопление радионуклидов оказывает онтогенез или фаза развития растений. Максимальное накопление радионуклидов наблюдается в ранних фазах развития, когда происходит интенсивный рост, сопровождающийся активным всасыванием питательных веществ, радионуклидов и переносом их в наземные органы. Например, у зерновых культур максимальное накопление в наземной массе происходит в фазе кущения и в фазе выхода в трубку. В фазах молочной и восковой спелости происходит отток питательных веществ и радионуклидов из листьев в зерно, где содержание цезия может возрастать до четырех раз.

Цель работы: изучить видовые различия сельскохозяйственных культур по накоплению цезия-137.

Материалы и оборудование: справочные значения коэффициентов перехода цезия-137 и стронция-90 из почвы в растения (приложения 4–7).

Выполнение работы

1. Составьте убывающие ряды по накоплению цезия-137 зерном и соломой для следующих культур: озимая рожь, рапс, горох, ячмень, люпин, просо, пшеница, вика, овес (значения К_п для указанных культур взять из приложения 4 для дерново-подзолистой супесчаной почвы при содержании обменного калия 141–200 мг/кг почвы).

2. Составьте убывающий ряд по накоплению цезия-137 в зеленой массе, корнеплодах, клубнях для следующих культур: рапс, горох, многолетние злаковые травы, горохо-овсяная смесь, люпин, многолетние бобово-злаковые смеси, вико-овсяная смесь, клевер, кормовая свекла, кукуруза, картофель.

3. Составьте аналогичные убывающие ряды по накоплению стронция-90 (значения К_п для указанных культур взять из приложения 5 для дерново-подзолистой супесчаной почвы при рН, равном 5,1–5,5).

4. Сделайте выводы, какие культуры накапливают радионуклиды в минимальных, а какие в максимальных количествах.