Поведение радионуклидов в почвах и закономерности их поступления в растения - Основы экологии

Загрязнение растениеводческой продукции радионуклидами, прежде всего, зависит от свойств почвы, которые обуславливают поглощение и закрепление радионуклидов в почве.

Зная поведение радионуклидов в почвах, можно понять механизм поступления их в растения и наметить пути снижения накопления их в урожае.

Попадая на поверхность почвенного покрова, радиоактивные вещества поглощаются почвами.

Исследованиями установлено, что 80-90 % радионуклидов сосредоточено в активной зоне расположения основной массы корней сельскохозяйственных культур.

Однако долгоживущие радионуклиды цезий-137 и стронций-90 по-разному сорбируются почвами.

Стронций-90 в основном закрепляется в почве по типу ионного обмена.

Содержание обменных форм Sr-90 в почвах разных типов (% от общего его количества):

Торфяно-болотные - 60-80;

Дерново-подзолистые легкосуглинистые - 80-94;

Дерново-подзолистые связносупесчаные - 87-100;

Дерново-подзолистые песчаные - 100.

Цезий-137 более прочно фиксируется твердой частью почвы по типу необменной формы в кристаллических решетках почвенных минералов.

Содержание фиксированных форм цезия-137 в почвах разных типов (% от общего его количества):

Дерново-подзолистые глееватые легко - и среднесуглинистые - 71-75;

Дерново-подзолистые суглинистые и связносупесчаные - 45-450;

Дерново-подзолистые рыхло - и связносупесчаные - 35-40.

За послеаварийный период количество прочносвязанного цезия-137 в основных типах почв республики увеличилось в 2,0-2,5 раза и колеблется в пределах 70-84 % от общего содержания.

Для стронция-90, наоборот, характерно преобладание легкодоступных для растений водорастворимой и обменной форм, которые в сумме составляют 53-87 % от валового содержания. Доля фиксируемых форм Sr-90 невелика и имеет тенденцию к снижению.

Только на почвах связного гранулометрического состава (суглинистых) а также с более высоким содержанием гумуса (перегнойно-глеевые почвы) и на торфяно-болотных почвах отмечается возрастание доли фиксированного стронция-90 до 16-40 %.

С точки зрения дальнейшего распространения попадающих в почву радионуклидов и их вовлечения в биологические цепочки процесс поглощения почвами имеет двоякое значение. С одной стороны, оно, как правило, снижает размеры перехода радионуклидов в растения, с другой - аккумуляция поглощенных радионуклидов в верхних горизонтах почвы, то есть в слое наибольшего распространения корней растений, повышает доступность их растениям, а, следовательно, и способствует большему накоплению радионуклидов в урожае, чем при свободном передвижении их в более глубокие горизонты почвы.

Для оценки перспективы ведения сельского хозяйства важно определить динамику самоочищения почв за счет миграции радионуклидов за пределы корнеобитаемого слоя.

Миграционный путь радионуклидов зависит от интенсивности ряда одновременно протекающих процессов: диффузии, переноса с гравитационным током воды, корнями растений и почвенной фауной.

Изучение динамики перераспределения радионуклидов по глубине почвенного профиля на необрабатываемых угодьях (пастбища, сенокосы) показало, что вертикальная миграция протекает с малой скоростью. В большинстве стационаров на основных типах и разновидностях почв до 80% радионуклидов сосредоточено в верхнем 5-ти сантиметровом слое почвы.

Удельная активность почвы на глубине 20 см и более, независимо от типа почвы и ландшафта, повсеместно имеет фоновые значения.

Более заметная миграция радиоцезия и радиостронция на глубину 10-15 см наблюдается только на почвах, подстилаемых рыхлыми породами, обладающими малой емкостью поглощения и высокой водопроницаемостью.

На пашне радионуклиды распространены сравнительно равномерно в пахотном горизонте.

Это можно объяснить тем, что загрязненные участки не изымались из с.-х. производства и поэтому в пределах пахотного горизонта перераспределения выпавшего на поверхность почвы цезия происходило за счет механических обработок почвы.

Таким образом, скорость миграционных процессов радионуклидов незначительная, поэтому ожидать в ближайшее время какого-либо "самоочищения" почвы в результате вертикальной миграции нет оснований.

Вместе с тем наблюдаются процессы локального вторичного загрязнения почв сельскохозяйственных угодий за счет горизонтальной миграции радионуклидов вследствие ветровой и водной эрозии. Содержание цезия-137 в пахотном горизонте различиях элементов рельефа склоновых земель в результате водной эрозии на посевах однолетних культур за девять лет перераспределилось до 1,5-3,0 раз. Увеличение плотности загрязнения почв цезием-137 в зоне аккумуляции (нижние части склонов и понижения) по сравнению с зоной смыва составило в среднем от 13% при ежегодном смыве почвы менее 5 т/га до 75% - при смыве 12-20 т/га. На бессменных посевах многолетних трав твердого стока не наблюдалось и достоверных различий в плотности загрязнения почв по элементам склонов не установлено. В результате ветровой эрозии осушенных торфяно-болотных и песчаных почв, используемых под посев однолетних культур, локальные различия в плотности загрязнения пахотного горизонта радиоцезием достигали 1,5-2,0 раз. Это подчеркивает необходимость защиты почв от водной и ветровой эрозии, что обеспечивает также снижение потерь гумусового слоя и уменьшает вероятность загрязнения продукции на локальных участках угодий.

В связи с этим по-прежнему актуальными остаются вопросы изучения миграции радионуклидов в системе почва-растение-продукция животноводства и на этой основе разработки приемов и способов, направленных на снижение уровня загрязнения продукции сельскохозяйственного производства.

На прочность закрепления радионуклидов и тем самым - на поступление их в растения и накопление в продукции влияют величина емкости поглощения почвы, состав обменных катионов, кислотность почвенного раствора, содержание органического вещества, гранулометрический и минералогический состав.

Накопление радионуклидов определяется, прежде всего, типом почвы. Меньше всего радиоактивные элементы используется растениями на плодородных черноземных почвах и в наибольшем количестве - на менее плодородных дерново-подзолистых, особенно легкого состава почвах.

В первую очередь эта закономерность объясняется более благоприятными, перечисленными выше, свойствами черноземных почв.

Существует обратная зависимость накопления Sr-90 в растениях от емкости поглощения почв и содержания обменного кальция. С увеличением содержания обменного кальция и величины емкости поглощения доступность 90Sr растениями снижается.

Поступление 137Cs из почвы в растения определяется суммой поглощенных оснований и количеством обменного калия в почве. На почвах с низкой суммой поглощенных оснований и относительно небольшим количеством обменного калия происходит более интенсивное поглощение 137Cs растениями, чем на почвах, имеющих более высокие эти показатели.

Применительно к проблеме загрязнения почвенно-растительного покрова Сs-137 решающее значение имеет сходство в поведении этого радионуклида и его основного неизотопного носителя - калия. Калий и цезий - щелочные металлы, относящиеся к 1 группе элементов таблицы Д. И. Менделеева.

Калий находится в почве в макроколичествах, в то время как Cs-137 в ультрамикроконцентрациях. Вследствие этого в почвенном растворе происходит сильное разбавление микроколичеств 137Cs ионами К+, и при поглощении их корневыми системами растений отмечается конкуренция за места сорбции на поверхности корней, поэтому при поступлении данных элементов из почв или растворов в растения наблюдается "антагонизм" ионов Cs и К.

Кроме того, причиной дискриминации 137Сs относительно К при переходе из почвы в растения является более сильная сорбция твердой фазы почвы 137Сs по сравнению с К.

На кислых почвах радионуклиды поступают в растения в значительно больших количествах (например, Сs-137 в 2-3 раза больше), чем из слабокислых, нейтральных мили слабощелочных. Ликвидация избыточной кислотности, как правило, уменьшает размеры перехода радионуклидов в растения.

Важное влияние на миграцию радионуклидов в почве и поглощение их растениями оказывает органическое вещество. Для большинства радионуклидов увеличение содержания гумуса в почве является фактором, снижающим их переход в растения.

Поведение радионуклидов связано с органическим веществом почв специфичес4кой природы - гуминовыми и фульвокислотами. Способность гуминовых кислот адсорбировать ионы, а также образовывать прочные сложные комплексы с радионуклидами оказывает влияние на сорбцию их в почве и поступление в растения.

Поступление радиоактивных элементов в растения в значительной степени зависит от гранулометрического состава почв. С увеличением дисперсности почвенных частиц поступление радионуклидов в растения снижается. Это обусловлено тем, что мелкие фракции почв характеризуются повышенной емкостью поглощения вследствие большой удельной поверхности, изменения состава обменных катионов и количества органического вещества.

Поэтому на почвах тяжелого гранулометрического состава происходит меньшее накопление радионуклидов в растениях, чем на легких почвах.

Например, из дерново-подзолистой тяжелосуглинистой почвы радионуклидов поступает в растения в 2-3 раза меньше, чем из дерново-подзолистой среднесуглинистой.

Поступление 90Sr и 137Cs в растения обуславливается также минералогическим составом почв. Минералы монтмориллонитовой группы (асканит, гумбрин), а также слюды и гидрослюды (биотит, флогопит, вермикулит), обладая способностью к эндомицеллярному необменному поглощению радионуклидов, значительно снижают их поступление в растения.

Резкое снижение доступности 137Сs растениям под влиянием флогопита и гидрофлогопита обусловлено, очевидно, не только более прочным закреплением его в кристаллической решетке, но и повышенным содержанием подвижного калия в этих слюдах.

Минералогический состав почв, как и гранулометрический, в системе почва-растение сильнее влияет на подвижность 137Cs, чем 90Sr, что связано с более выраженной способностью к необменной фиксации 137Сs некоторыми глинистыми минералами.

Еще большее влияние на накопление радионуклидов в сельскохозяйственной продукции оказывает режим увлажнения почв. Установлено, что переход радиоцезия в многолетние травы повышается в 10-27 раз на дерново-глеевых и дерново-подзолисто-глеевых почвах по сравнению с автоморфными и временно-избыточно увлажняемыми разновидностями этих почв. Исследованиями БелМИИ мелиорации и луговодства установлено, что минимальное накопление цезия-137 в многолетних травах обеспечивается при поддержании уровня грунтовых вод на глубине 90-120 см от поверхности осушенных торфяных и торфяно-глеевых почв.

Установленные в исследованиях закономерности подтверждены практикой. На переувлажненных песчаных и торфяных почвах, например в Наровлянском и Лельчицком районах Гомельской области, Сталинском и Лунинецком районах Брестской области, высокая степень загрязнения травяных кормов и молока наблюдается даже при относительно низких плотностях загрязнения цезием-137 (2-5 Ки/км2) и стронцием-90 (0,3-1,0 Ки/км2). В то же время на окультуренных участках дерново-подзолистых суглинистых почв продукция с допустимым содержанием радионуклидов может быть получено при плотности загрязнения цезием-137 до 20-30 Ки/км2.

Поведение стронция-90 и цезия-137 в системе 'почва-растение' имеет ряд отличительных особенностей. Поступление стронция-90 из почв в растения практически в 10 раз выше, чем цезия-137 при одинаковой плотности загрязнения земель.

Очевидно, что плотность загрязнения почв сельскохозяйственных угодий радионуклидами не может однозначно отражать уровень загрязнения выращиваемой сельскохозяйственной продукции и в настоящее время для разработки эффективных защитных мероприятий необходим учет основных свойств почв каждого поля.

Особенности минерального питания, разная продолжительность вегетационного периода и другие биологические особенности различных видов растений влияют на накопление радионуклидов. Содержание цезия-137 в расчете на сухое вещество отдельных культур может различаться до 180 раз, а накопление стронция-90 - до 30 раз при одинаковой плотности загрязнения почв. Сортовые различия в накоплении радионуклидов значительно меньше (до 1,5-3,0 раз), но их также необходимо учитывать при подборе культур.

На основании обобщения экспериментального материала последних лет уточнены коэффициенты перехода радионуклидов цезия-137 и стронция-90 из почвы в основную и побочную продукцию сельскохозяйственных культур на различных почвах (из расчета на плотность загрязнения 1 Ки/км2), необходимые для прогноза уровней загрязнения сельскохозяйственной продукции

Похожие статьи




Поведение радионуклидов в почвах и закономерности их поступления в растения - Основы экологии

Предыдущая | Следующая