Влияние агрохимических характеристик почвы на накопление 137Cs и 90Sr в растительности

Содержание

1. Загрязнение территории Республики Беларусь радионуклидами после аварии на ЧАЭС

1.1 Влияние ёмкости катионного обмена и содержание обменных катионов в почве на поступление радионуклидов в растительность

1.2 Влияние кислотности почв на поступление радионуклидов в растительность

1.3 Влияние содержания в почве органического вещества на поступление радионуклидов в растительность

1.4 Влияние режима увлажнения на поступление радионуклидов из почвы в растительность

2. Изучение накопления радионуклидов в травостое лугов различного режима увлажнения

2.1 Цель, задачи, материал и методика исследований

2.2 Анализ результатов исследований Выводы Литература

Наша страна богата лесами, озерами, реками, поражает многообразием животного и растительного мира, несмотря на то, что территория Республики Беларусь не большая.

Известно, что основными силами природы являются тяготение, электромагнетизм, сильное и слабое взаимодействия. Сильное взаимодействие ничто иное как радиоактивность. 11]

Радиация является одной из потенциально опасных сил. Человек научился использовать радиоактивные вещества для своего блага: диагностика, получение электрической энергии и др. 15]

Техногенные выбросы радионуклидов в природную среду в ряде районов земного шара значительно превышают природные нормы.

До недавнего времени в качестве важнейших загрязняющих веществ рассматривались, главным образом, пыль, угарный и углекислый газы, оксиды серы и азота, углеводороды. Радионуклиды рассматривались в меньшей степени. В настоящее время интерес к загрязнению радиоактивными веществами вырос, в связи с факторами появления острых токсичных эффектов, вызванных загрязнением стронцием и цезием. [11]

В результате катастрофы на Чернобыльской АЭС радиоактивному загрязнению подверглось более 1,8 млн. га сельскохозяйственных угодий, т. е. около 20% их общей площади. В настоящее время радиационная обстановка определяется, в основном, двумя техногенными радионуклидами — цезием-137 и стронцием-90, которые являются химическими аналогами калия и кальция соответственно, и поэтому они легко включаются в процессы миграции в биосфере.

Это привело к ухудшению здоровья людей, животного мира, загрязнению почвы, озер, рек. Резко сократились посевные площади, снизился сбор сельскохозяйственных культур, и уменьшилось количество скота. Ликвидировано 54 колхоза и совхоза, закрыто 9 заводов агропромышленного комплекса, прекратили хозяйственную деятельность еще около 300 народно-хозяйственных комплекса, свыше 600 школ и детских садов, около 100 больниц, свыше 500 объектов торговли, общественного питания и бытового обслуживания. Однако, несмотря на уже сделанные многочисленные оценки и прогнозы, последние нельзя считать окончательными. 13]

В значительной мере от последствий на ЧАЭС пострадали флора и фауна. Последствия радиоактивного загрязнения для окружающей среды после аварии можно разделить на две группы:

— лучевое поражение сообществ растений и животных

— накопление радионуклидов, в концентрации, представляющих опасность не только для растений и животных, но и для человека, который так или иначе их потребляет и использует для питания.

Размеры лучевого радиационного повреждения могут быть различными в зависимости от плотности загрязнения. При очень высоких плотностях загрязнения наблюдается полная гибель отдельных экосистем. [23]

Цель курсовой работы: Оценить влияние агрохимических характеристик почвы на накопление 137Cs и 90Sr в растительности.

Задачей является установление корреляционной связи загрязнения почвы по 137Cs и 90Sr и агрохимических характеристик: ёмкости катионного обмена и содержание обменных катионов; кислотности почв; содержания в почве органического вещества и режима увлажнения. [21]

1. Загрязнение территории Республики Беларусь радионуклидами после аварии на ЧАЭС

26 апреля 1986 года на четвертом энергоблоке Чернобыльской АЭС произошел взрыв ядерного реактора. Этот день поделил жизнь населения до и после Чернобыля. Чернобыльская катастрофа самая крупнейшая в свете катастрофа, на нашей планете. В реакторе находилось 190,2 тонны ядерного горючего, в окружающую среду было выброшено около 4 тонн (1018 Бк радионуклидов йода, цезия, стронция, плутония и других, без учета газов). Особую, опасность в первые дни представлял Иод-131. [14]

В результате аварии на четвертом блоке Чернобыльской АЭС во внешнюю среду поступили радиоактивные вещества общей активностью около 10 ЭБк. Радиоактивные выбросы привели к значительному загрязнению местности, населенных пунктов, водоемов. Загрязнение территории Беларуси с плотностью свыше 37 кБк/м2 цезием-137 составило 23% ее площади. Эта величина для Украины составляет 5%, России — только 0,6%.

Результаты почвенного обследования земель республики показали, что наиболее загрязненными в результате катастрофы на ЧАЭС оказались Гомельская, Могилевская и Брестская области. 6]

В соответствии со статьей 4 Закона «О правовом режиме территорий, подвергшихся радиоактивному загрязнению после катастрофы на Чернобыльской АЭС» территория Республики Беларусь разделена на зоны в зависимости от радиоактивного загрязнения почв радионуклидами и величины среднегодовой эффективной дозы (табл. 1.1).

Зона эвакуации (отчуждения) — территория вокруг Чернобыльской АЭС, с которой в 1986 году в соответствии с существовавшими нормами радиационной безопасности было эвакуировано население (30-километровая зона и территория, с которой проведено дополнительное отселение в связи с плотностью загрязнения почв стронцием-90 выше 3 Ки/кв. км и плутонием-238, 239, 240 — выше 0,1 Ки/кв. км);

Зона первоочередного отселения — территория с плотностью загрязнения почв цезием-137 от 40 Ки/кв. км либо стронцием-90 или плутонием-238, 239, 240 соответственно 3,0; 0,1 Ки/кв. км и более;

Зона последующего отселения — территория с плотностью загрязнения почв цезием-137 от 15 до 40 Ки/кв. км либо стронцием-90 от 2 до 3 Ки/кв. км или плутонием-238, 239, 240 от 0,05 до 0,1 Ки/кв. км, на которых среднегодовая эффективная доза облучения населения может превысить (над естественным и техногенным фоном) 5 мЗв в год, и другие территории с меньшей плотностью загрязнения вышеуказанными радионуклидами, где среднегодовая эффективная доза облучения населения может превысить 5 мЗв в год;

Зона с правом на отселение — территория с плотностью загрязнения почв цезием-137 от 5 до 15 Ки/кв. км либо стронцием-90 от 0,5 до 2 Ки/кв. км или плутонием-238, 239, 240 от 0,02 до 0,05 Ки/кв. км, на которых среднегодовая эффективная доза облучения населения может превысить (над естественным и техногенным фоном) 1 мЗв в год, и другие территории с меньшей плотностью загрязнения вышеуказанными радионуклидами, где среднегодовая эффективная доза облучения населения может превысить 1 мЗв в год;

Зона проживания с периодическим радиационным контролем — территория с плотностью загрязнения почв цезием-137 от 1 до 5 Ки/кв. км либо стронцием-90 от 0,15 до 0,5 Ки/кв. км или плутонием-238, 239, 240 от 0,01 до 0,02 Ки/кв. км, где среднегодовая эффективная доза облучения населения не должна превышать 1 мЗв в год.

По результатам радиологического обследования площади сельскохозяйственных угодий, загрязненных цезием-137 с плотностью > 1 Ки/км2, составляет более 1,8 млн га, 90Sr с плотностью загрязнения > 0,3 Ки/км2 — около 0,5 млн га, из которых 1437,9 тыс. га используются для сельскохозяйственного производства. [24]

Таблица 1.1 — Зонирование территории Республики Беларусь по уровню радиоактивного загрязнения и величины дозовых нагрузок на население

Выпавший в результате аварии радиоцезий на 50 — 98% оказался в почве в «фиксированном состоянии». Доля водорастворимых его форм не превысила 2−3%. Стронций-90, напротив, отличался более высоким содержанием подвижных форм. Только на водорастворимые формы пришлось порядка 19% его общего содержания.

В начальный период после аварии основная масса радионуклидов сконцентрировалась в верхнем 5-сантиметровом слое почвы. Здесь содержалось 70−90% цезия-137 и 50 — 70% стронция-90. В почвах с признаками избыточного увлажнения глубина проникновения нуклидов составила 8 — 17 см.

К 2000 г. в дерново-подзолистых супесчаных почвах цезий-137 достиг глубины 22 см, а стронций-90 — 28 см. Однако содержание их здесь в ненарушенных почвах весьма незначительно. На обрабатываемых землях радионуклиды распределены в пахотном горизонте довольно равномерно. Вторичное горизонтальное перераспределение радионуклидов связано с эрозией почв. В зависимости от ее интенсивности содержание радионуклидов в пахотном слое на пониженных элементах рельефа может повышаться до 75%. 8]

1.1 Влияние ёмкости катионного обмена и содержание обменных катионов в почве на поступление радионуклидов в растительность

Известно, что в растениях может накапливаться, не повреждая их и не снижая урожайность, такое количество радионуклидов, при котором растениеводческая продукция становится непригодной для использования. Радионуклиды в растения могут поступать через вегетативные органы — аэральный путь поступления и через корневую систему — корневой путь поступления.

Поведение радионуклидов в почвах в процессах обменного поглощения подчиняется тем общим законам, которые были установлены классическим учением К. Гедройца о поглотительной способности почв. Однако процесс сорбции, в котором участвуют радионуклиды, характеризуется тем, что сорбируемое вещество находится в микроколичествах, т. е. в предельно низких концентрациях. Поэтому в данном случае существует очень широкое отношение между величиной емкости поглощения почвы и степенью ее заполнения радиоактивными нуклидами. Следовательно, в процессе поглощения микроколичества радионуклидов не конкурируют за места на поверхности сорбента, так как по отношению к ним насыщенность сорбента всегда остается очень низкой.

К свойствам радионуклидов, определяющим их распределение между твердой и жидкой фазами почвы, относятся заряд иона и его знак, радиус гидратированного иона, энергия гидратации иона, форма соединений, а также способность к комплексообразованию и гидролизу. Каждая почва в естественном состоянии содержит определенное количество обменно-поглощенных катионов Са, Н, Mg, Na, К, NH4 и др. В большинстве почв среди них преобладает Са, и Квторое место занимает Mg, в некоторых почвах в поглощенном состоянии содержится немного Naи NH4 [24,25].

Для 137Csхарактерны процессы селективной сорбции, а также необменной сорбции твердой фазой почв. Способность почв фиксировать цезий в значительной степени определяется содержанием в почве лабильных глинистых минералов. Наибольшей способностью к фиксации калия, аммония и цезия обладают гидрослюды типа иллита.

Для Cs+в зависимости от условий, определяющим обменным катионом может стать как калий, так и аммоний. Причем аммоний преобладает в восстановительных условиях донных отложениях и в торфяно-болотных почв. А на поведение 90Sr оказывает влияние органическое вещество почвы. Радионуклид присутствует в почвах в основном не в виде индивидуальных соединений с органическими веществами неспецифической природы и собственно гумусовыми кислотами, а сложных комплексов, в состав которых входят также Ca, FeиAl.

Существует обратная зависимость накопления 90Sr в растениях от емкости поглощения почв и содержания обменного кальция. С увеличением содержания обменного кальция и величины емкости поглощения доступность 90Sr растениям снижается. Поступление 137Сs 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 137Сs растениями, чем на почвах, имеющих более высокие эти показатели.

Известно, что чем больше в ППК обменного калия, тем быстрее происходит закрепление 137Сsв ППК и уменьшение его коэффициента перехода в растения. Коэффициент перехода цезия в растения при низком содержании обменного калия (К2О = 40−80 мг/кг почвы), может уменьшаться всего на 20−60%, а при высоком содержании К2О может снижаться до 70%. Насыщение дерново-подзолистой почвы обменным калием выше оптимального уровня (300 мг/кг почвы) не сопровождается снижением поступления 137Сsв растения. Для торфяно-болотных почв оптимальный уровень содержания в почве обменного калия не должен превышать 1000 мг/кг почвы. Чем больше в почве обменного калия, тем меньше коэффициента накопления 90Sr. Однако эта зависимость менее выражена, чем для коэффициента накопления 137Сs.

Поступление радионуклидов зависит от времени и форм нахождения в почве, от концентрации доступных форм в корнеобитаемом слое.

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. 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, поэтому он находится в водорастворимой и обменной формах, которые хорошо доступны для корневого усвоения[1,29].

1.2 Влияние кислотности почв на поступление радионуклидов в растительность

Установлена отрицательная зависимость между содержанием обменного кальция, уровнем кислотности почвенного раствора и поступлением в растения стронция-90. Чем больше в почве обменного кальция и чем меньше кислотность почвенного раствора, тем меньше коэффициенты перехода стронция-90 в растения. Эта закономерность проявляется и при поступлении цезия-137 в растения, но связь менее сильная. 18] Для многолетних бобовых злаковых трав, кукурузы и картофеля коэффициенты корреляции находятся в пределах от -0,52 до -0,93. Особенно тесная связь исследуемых параметров наблюдается на дерново-подзолистых супесчаных и песчаных почвах, а также на аллювиальных песчаных и слоистых почвах. С поступлением 137Сs эта связь также проявляется, но слабее. Для торфяно-болотных почв характерна та же закономерность, что и для дерново-подзолистых[1].

Таблица 1.2 — Влияние кислотности почв на содержание цезия-137 в кормах

Содержание 90Sr в урожае многолетних злаковых трав на торфяно-болотной почве в зависимости от уровня кислотности при плотности загрязнения 37 кБк/м2, КП позволяющего существенно уменьшить поступление 90Srв растения за счет антагонизма катионов, что способствует частичному переводу радионуклидов в необменное состояние. Однако, как видно из данных таблицы 1.3 и рис. 1.1, более информативным является содержание в почвах обменного кальция, чем показатель их обменной кислотности. Коэффициенты перехода радионуклидов из супесчаных почв снижаются в 1,7−2,0 раза по мере повышения содержания обменного кальция с 550 до 2000 мг СаО на кг почвы.

Рис. 1.1 — Влияние плодородия дерново-подзолистых супесчаных почв на поступление радионуклидов в многолетние злаковые травы, Бк/кг (1989;1993 гг.)

Таблица 1.3 — Влияние кислотности почвы на Кп 137Cs и 90Sr в многолетних злаковых травах

По мере повышения содержания обменного кальция с 550 до 2000 мг СаО на кг почвы Кп137Cs и 90Srснижается в 1,5−2 раза. Изменение кислотности почвенного раствора от кислого интервала (рН = 4,5−5,0) к нейтральному (рН = 6,5−7,0) снижает переход стронция-90 в растения в 2−3 раза[26].

Дальнейшее насыщение почвы свободными карбонатами кальция сдвигает реакцию в щелочной диапазон, однако это уже не сопровождается уменьшением поступления радионуклидов в растения.

На карбонатных почвах коэффициент накопления стронция-90 снижается до 3-х раз, потому что происходит необменная фиксация 90Srс образованием карбонатных солей. На этих почвах Кп137Csувеличивается до 4-х раз, т.к. здесь 137Csсвязывается водорастворимыми органическими соединениями, которые легко его освобождают в виде доступных ионов. Установлено, что чем больше насыщенность почвы обменными основаниями, тем меньше коэффициент перехода 137Csи 90Srв растения[18].

Торфяно-болотные почвы бедны по содержанию калия, кальция и магния. Как правило, это кислые почвы, поэтому Кп137Csи 90Srна этих почвах в 5−20 раз больше, чем на дерново-подзолистых[14].

Оптимальные показатели кислотности (рН) колеблются в значительных пределах и зависят от типа и гранулометрического состава почвы, обеспеченности ее гумусом и набора культур в севооборотах. На основании исследований, проведенных в республике, определены оптимальные параметры реакции почв (рН в КCl) в зависимости от гранулометрического состава, которые на дерново-подзолистых почвах составляют:

— глинистые и суглинистые — 6,0−6,7,

— супесчаные — 5,8−6,2,

— песчаные — 5,6−5,8.

На торфяно-болотных и минеральных почвах сенокосов и пастбищ оптимальные параметры составляют соответственно 5,0−5,3 и 5,8−6,2.

Установлено, что минимум накопления радионуклидов в урожае различных культур чаще всего соответствует оптимальному уровню реакции почвенной среды и степени насыщенности почв основаниями, которые достаточны и необходимы для обеспечения максимально возможного урожая соответствующих культур. Это позволяет использовать величину pHKCl (которая систематически определяется агрохимической службой на каждом рабочем участке поля) в качестве интегрального показателя насыщенности почв основаниями при прогнозе доступности растениям радионуклидов, особенно 90Sr.

Известкование является одним из наиболее важных приемов повышения продуктивности сельскохозяйственных угодий. При внесении в кислую почву извести в почвенном растворе резко уменьшается концентрация водорастворимых ионов, увеличивается содержание подвижного кальция и магния, что влияет на доступность радионуклидов растениям, особенно 90Sr.

Эффект снижения поступления радионуклидов в урожай от известкования в дозах, рассчитанных для нейтрализации полной гидролитической кислотности, в сочетании с удобрениями колеблется в больших пределах. Это зависит от многих факторов, а именно: гранулометрического состава, степени кислотности почв, обеспеченности их гумусом, элементами минерального питания и других свойств, а также биологических особенностейвозделываемых культур.

Известкование кислых почв направлено не только на ограничение поступления радионуклидов в растениеводческую продукцию, но и повышение плодородия почв, а также урожая. Действие извести более заметно в длительных стационарных полевых опытах на кислых дерново-подзолистых почвах. Таким примером может быть стационар Гомельской опытной станции, заложенный в 1986 году на среднекислой, бедной питательными веществами и гумусом дерново-подзолистой рыхлосупесчаной почве с плотностью загрязнения 137Cs — 296 кБк/м2. 8]Известкование в дозах из расчета нейтрализации полной гидролитической кислотности на фоне N90P90K90 снизило содержание 137Csв зерне и соломе озимой ржи в 2 раза. Повышение дозы извести до уровня 1,5 гидролитической кислотности (6,5 т/га), равно как и повторное известкование в 1992 году из расчета нейтрализации полной гидролитической кислотности, способствовало некоторому снижению накопления137Csтолько в соломе. Эти данные согласуются с результатами исследований Бондаря П. Ф., Лощилова Н. А., Дутова А. И., показавших, что дополнительное внесение мелиорантов с целью снижения поступления 137Csв урожай на произвесткованных почвах является малоэффективным агротехническим приемом.

Обобщение большого количества экспериментальных данных позволило сделать вывод, что минимальное накопление радионуклидов в растениеводческой продукции при прочих равных условиях возделывания сельскохозяйственных культур отмечено при оптимальной реакции почвенной среды. В этой связи основной целью известкования на землях, подвергшихся радиоактивному загрязнению, является нейтрализация кислотности почвы и насыщение ее поглощающего комплекса кальцием и магнием.

Основная потребность в известковых удобрениях определяется в соответствии с «Инструкцией определения дополнительной потребности материально-технических ресурсов для сельского хозяйства в зоне радиоактивного загрязнения». На минеральные земли с плотностью загрязнения 137Cs 5,0 и более Ки/км2 (185 кБк/м2) и 90Sr 0,3 и более Ки/км2 (11 кБк/м2) и на торфяные почвы с плотностью загрязнения 137Csболее 1,0 Ки/км2 (37 кБк/м2) и 90Srболее 0,15 Ки/км2 (5,5 кБк/м2) предусматривается дополнительное внесение извести с целью ускоренного доведения реакции почв до оптимальных значений. На дерново-подзолистые супесчаные почвы с рН 5,6−6,0 и плотностью загрязнения 137Cs 1−5 Ки/км2 (37−185 кБк/м2) дополнительное выделение извести предусматривается для поддержания кислотности в оптимальном диапазоне рН. Все почвы I-II групп кислотности подлежат первоочередному известкованию в связи с высоким переходом радионуклидов в растения.

Таким образом, внесение извести является традиционным эффективным способом снижения поступления радионуклидов 90Srи 137Csиз почвы в растения. При этом в почвенном растворе резко уменьшается концентрация водорастворимых ионов, увеличивается содержание подвижного кальция и магния, что снижает доступность радионуклидов растениям, особенно 90Sr[23].

1.3 Влияние содержания в почве органического вещества на поступление радионуклидов в растительность

На переход цезия и стронция в растения оказывает влияние органическое вещество почвы. Гумусовые кислоты, особенно гуминовая кислота, образуют сложные комплексы с радионуклидами или гуматы, поэтому из органических комплексов доступность стронция снижается в 2−4 раза, а цезия — в 1,5 раза. Гумус — это совокупность органических соединений, находящихся в почве, но не входящих в состав живых организмов или их остатков, сохраняющих анатомическое строение. Гумус составляет 85−90% органического вещества почвы и является важным критерием при оценке её плодородности. Гумус составляют индивидуальные (в том числе специфические) органические соединения, продукты их взаимодействия, а также органические соединения, находящиеся в форме органо-минеральных образований. Повышенная биологическая доступность радионуклидов на торфяно-болотных почвах связана со способностью органического вещества фиксировать ионы радионуклидов на поверхности органических коллоидов, поэтому не обеспечивается прочная сорбция радионуклидов и увеличивается их доступность растениями. Кроме этого на торфяно-болотных почвах повышена кислотность почвенного раствора, что обеспечивает хорошую растворимость солей радионуклидов и их доступность растениям.

Наиболее доступны для растений радионуклиды, находящиеся в почве в растворенном виде. Однако растения могут извлекать химические элементы, в том числе и радионуклиды, из твердой фазы почвы. Кислые корневые выделения растений способны растворять относительно подвижные формы радионуклидов, связанные в минерально-обломочной фракции почв и растворимые в слабых кислотах (обменные, сорбционные и др.). Сорбция на гумусовом веществе с последующим переходом в необменные формы делает радионуклиды слабо доступными для растений[19].

По данным учёных НИРУП «Институт почвоведения и агрохимии», весьма эффективным способом снижения поступления радионуклидов и нитратов в урожай сельскохозяйственных культур являются медленнодействующие удобрения (карбамид и сульфат аммония с добавками гуматов). Применение этих удобрений позволяет в среднем снизить содержание 137Cs на 20%, а 90Sr на 12% в урожае большинства сельскохозяйственных культур по сравнению с обычными формами азотных удобрений (аммиачная селитра, мочевина) при увеличении урожайности на 25%. На тех почвах, где основная масса радионуклидов прочно связана в гумусовых горизонтах, наблюдается снижение коэффициентов накопления растениями радионуклидов (КН) [8,17].

Также проведено изучение распределения 137Сs и 90Sr по группам и молекулярно-массовым фракциям гумусовых веществ. При взаимодействии радионуклидов с органическими соединениями происходит образование сложных органо-минеральных комплексов и комплексно-гетерополярных солей. Исследовано влияние органическихлиганд на молекулярно-массовое распределение углерода, радиоцезия и радиостронция. Изучено поступление 137Сs и 90Sr в растения под влиянием искусственных комплексонов и гуминовых кислот, а также из разных органо-минеральных источников из водных растворов, так из различных почв.

Диапазон различия в содержании органического вещества в пределах одной разновидности почв на большинстве опытных участков может быть невелик. Повышение содержания гумуса в дерново-подзолистых супесчаных почвах от минимального (1,0−1,5%) до оптимального (2,0−3,0%) сопровождалось снижением в 1,5 раза поступления 137Сs и 90Sr в многолетние травы.

Таблица 1.4 — Влияние содержания гумуса в дерново-подзолистых супесчаных почвах на поступление радионуклидов в многолетние злаковые травы, КП (1989;1993 гг.)

В зоне радиоактивного загрязнения может быть оправданным и поддержание более высокого уровня содержания гумуса в почве (3,1−3,5%) для дальнейшего снижения поступления радионуклидов в продукцию при наличии дешевых источников органического вещества.

Представление о противоположных функциях разных фракций гумусовых кислот помогает понять особенности миграции элементов.

Вывод о противоположном действии гуминовых и фульвокислот нашел подтверждение и при исследовании форм нахождения радионуклидов, образовавшихся во время катастрофы на Чернобыльской АЭС. Высокую радиоактивность наблюдали лишь в пробах природных вод высокой цветности, т. е. с большими содержаниями фульвокислот. При фазовом химическом анализе почв района Чернобыля показано, что основная доля радионуклидов связана с труднорастворимыми фракциями, прежде всего с гуминовыми кислотами почвы. В условиях Украины и Белоруссии тенденция к удерживанию радионуклидов в почвах значительно сильнее, чем тенденция к их рассеянию поверхностными водами.

Итак, можно сделать вывод, что:

— гуминовые кислоты обладают высокой сорбционной емкостью по отношению к ионам загрязняющих и рудных элементов, а также изотопных носителей долгоживущих радионуклидов: 1 г гуминовых кислот сорбирует 30 мг цезия, 18 мг стронция, 18 мг меди, 60−150 мг свинца, 80 мг хрома, 300 мг ртути, 300−600 мг золота, 85−100 мг палладия.

— гуминовые кислоты — эффективный геохимический барьер, ограничивающий подвижность ионов металлов.

— миграционная способность элементов в конкретных ландшафтных условиях зависит от состава гумусовых кислот почв и вод и во многом определяется конкуренцией процессов комплексообразования ионов металлов с фульвои гуминовыми кислотами.

1.4 Влияние режима увлажнения на поступление радионуклидов из почвы в растительность

Известно, что количество катионов цезия и стронция, вытесняемых из почвы в раствор, при постоянной концентрации возрастает с увеличением объема раствора, что предполагает повышенное накопление радионуклидов растениями.

Общеизвестно увеличение перехода 137Сs и 90Sr в травы естественных сенокосов на переувлажненных почвах по сравнению с сеяными травами на автоморфных почвах. Однако здесь оказывает влияние комплекс факторов, включая различия в окультуренности почв, видовом составе трав, удобрениях и др. Имеются сведения, что при разных режимах увлажнения почв могут не изменяться коэффициенты накопления радионуклидов растениями, но возрастает общий вынос радионуклидов за счет увеличения биомассы растений.

Рерих П.А. и Моисеев И. Т. установили, что поступление 137Сs в зерновые и крупяные культуры на выщелоченных черноземах находится в обратной корреляционной зависимости от суммы осадков за вегетационный период и запасов влаги в метровом слое почвы.

Для определения влияния режима увлажнения почв на поступление радионуклидов в растения в 1992;1994 гг. проводились исследования на сенокосах Ветковского, Лоевского и Хойникского районов Гомельской области (табл. 1.5). На одном типе почв, различающихся степенью гидроморфизма и, следовательно, режимом увлажнения, подбирались участки сенокосов сходного ботанического состава трав. Влажность почв в период максимального роста и уборки трав различалась и составляла, соответственно, 4,5, 14,8 и 21,7%. Кислотность почв трех участков была близкой к оптимальной, а содержание обменных катионов кальция повышалось по мере возрастания степени увлажнения. Доля обменных форм 137Сs последовательно повышалась от 9,6% на автоморфных до 10,7 на глееватых почвах и до 12,3% - на глеевых. Одновременно многократно возрастал переход 137Сs и 90Sr из почвы в растения ежи сборной. Долевое содержание водорастворимых и обменных форм 90Sr также заметно повышалось на временно избыточно увлажненных и глееватых супесчаных почвах.

Таблица 1.5 — Влияние режима увлажнения почв и форм нахождения радионуклидов на их переход в растения ежи сборной (Хойникский район, 1994 г.)

Повышенный переход 137Сs в растения ежи сборной по мере нарастания степени гидроморфизма наблюдался и на большом массиве осушенных дерново-заболоченных песчаных почв в Лоевском районе Гомельской области (табл. 1.6 и рис. 1.3). Здесь также отмечено заметное увеличение доли обменных форм 137Сs на глеевых почвах по сравнению с временно избыточно увлажненными и глееватыми. В значительно большей степени (до 27 раз) различались коэффициенты накопления 137Сs растениями ежи сборной.

Таблица 1.6 — Влияние гидроморфности дерновых заболоченных песчаных почв на переход 137Сs в растения ежи сборной (Лоевский район, 1993 г.)

Если учесть, что урожай сена увеличивался с повышением степени увлажнения почв, то суммарный вынос радионуклида с гектара площади на дерново-глееватых почвах был в 6 раз, а на дерново-глеевых — в 54 раза выше, чем на временно избыточно увлажненных почвах. Проведенные исследования показали, что осушение не обеспечивает единого режима влажности почв всего массива и не устраняет имеющихся различий в увлажнении между почвенными разновидностями.

Рис. 1.2 — Влияние гидроморфности дерновых заболоченных песчаных почв на переход радионуклидов в растения ежи сборной, Бк/кг В результате осушения режим влажности дерново-глеевых почв приближается к оптимальному. Это значит, что оптимум влажности почвы длится 100 дней, уровень грунтовых вод (УГВ) колеблется в пределах 1,13−1,59 м, в дерново-глееватых почвах оптимум увлажнения — 90 дней, УГВ — 1,35−1,79 м. На повышенных элементах рельефа, где развиты временно избыточно увлажненные почвы, больше период иссушения, здесь оптимум влажности почвы наблюдается только в течение 70 дней, а УГВ колеблется в пределах 1,60−2,35 м. Исследуемые почвы характеризуются низким содержанием обменного калия и типичным повышением содержания обменных форм кальция и магния, а также содержания гумуса по мере нарастания степени увлажнения почв. Все почвы характеризовались близким уровнем плотности загрязнения 137Сs, в пределах от 481 до 518 кБк/м2. Учеты урожая проводились в 20-кратной повторности на посевах ежи сборной третьего года пользования.

Для изучения причин значительных различий переходов радионуклидов в кормовые культуры (многолетние злаковые травы), возделываемые в хозяйствах загрязненной зоны, нами проведены исследования по определению форм нахождения радионуклидов в почвах в зависимости от типа почвообразования, характера и степени увлажнения почв на рыхлых и связных почвообразующих породах. В таблице 1.7 приведены результаты определений форм нахождения 137Сs [2,4].

Таблица 1.7 — Формы нахождения 137Сs в дерновых заболоченных и дерново-подзолистых заболоченных почвах, % (1995 г.)

Первое, что можно отметить, — это преобладание фиксированной формы 137Сs, которая составляет 48−90% в разных почвах. Второе — более высокое содержание 137Сs в обменной и непрочно фиксированной формах в почвах более увлажненных позиций. Третье — самое высокое содержание прочнофиксированных форм 137Сs в дерновых заболоченных карбонатных почвах. В таблице 1.8 приведены результаты определения форм наховождения90Sr в исследуемых почвах.

Особенностью высоких переходов этого элемента из почвы в растения, как уже установлено и подтверждается нашими данными, является то, что значительная часть 90Sr находится в подвижной форме. Причем в почвах, развивающихся на песчаных породах, доля прочнофиксированной фракции несколько меньше, чем на суглинистых, но во всех почвах содержание этой фракции уменьшается с увеличением увлажнения.

Таблица 1.8 — Формы нахождения 90Sr в дерновых заболоченных и дерново-подзолистых заболоченных почвах (1995 г.)

Следует также отметить более низкое содержание обменной формы 90Sr в дерновых заболоченных карбонатных почвах при любой степени увлажнения. Насыщение поглощающего комплекса этих почв свободными карбонатами сдвигает реакцию среды в щелочной диапазон, обеспечивая минимум подвижности радионуклидов в почвах. Увеличение степени гидроморфизма способствует усилению динамичности элементов, что приводит к большей доступности радионуклидов для произрастающих трав. Двухлетние исследования БелНИИ мелиорации и луговодства показали также большую значимость учета влажности почвы и определяющего ее уровня грунтовых вод в поглощении радионуклидов сельскохозяйственными растениями. [2, 3] При этом первостепенное значение имеет расстояние загрязненного слоя почвы от УГВ. Наибольшее поглощение радионуклидов многолетними трава-ми происходит при расстоянии уровня воды 35−55 см от загрязненного слоя почв. [4]

Как правило, осушенные массивы на загрязненной радионуклидами территории Белорусского Полесья представлены почвенными комплексами, включающими на одном сельскохозяйственном поле севооборота торфяные, торфяно-болотные, сработанные торфянисто-глеевые и песчаные почвы. При этом пониженные формы рельефа представлены торфяными и торфяно-глеевыми почвами, а повышенные — торфянисто-глеевыми и песчаными. Исследования показали, что минимальное загрязнение растительной продукции на комплексах таких почв достигается при поддержании уровня грунтовых вод на глубине 0,9−1,2 м от средней отметки поверхности поля. Диапазоны уровня грунтовых вод подобраны так, чтобы водопотребление основных видов растений на 30% обеспечивалось из подпахотного слоя почвы. При этом меньшие значения уровня грунтовых вод необходимо поддерживать при выращивании трав, более глубокие — при выращивании зерновых и пропашных культур. Общим правилом поддержания оптимального режима увлажнения загрязненных радионуклидами почв должно стать нахождение динамического равновесия, обеспечивающего, с одной стороны, максимальный урожай и тем самым «ростовое разбавление» радионуклидов, с другой — уменьшение объема почвенного раствора.

По данным наших исследований, переход радиоцезия в многолетние злаковые травы повышался в 10−27 раз на дерново-глеевых и дерново-подзолисто-глеевых почвах по сравнению с автоморфными и временно избыточно увлажняемыми разновидностями этих почв. Практика подтвердила установленные закономерности. В зоне загрязнения, где преобладают переувлажненные дерново-подзолистые песчаные и торфяные, типичные для Полесья почвы, высокая степень загрязнения травяных кормов, молока и мяса наблюдается даже при относительно низких плотностях загрязнения: 137Сs — 7,4−185 и 90Sr — 11,1−7,4 кБк/м2. В то же время на окультуренных участках лессовидных и моренных суглинков Могилевской области продукцию с допустимым содержанием радионуклидов удается получать при плотности загрязнения 137Сs 740 кБк/м2.

Таким образом, приведенные данные показывают исключительно высокую значимость учета степени гидроморфизма почв при прогнозе содержания радионуклидов в продукции сенокосов и пастбищ как на естественных заболоченных, так и на осушенных почвах. Учет степени гидроморфизма почв необходим и при долгосрочном прогнозе очищения почв от радионуклидов.

Детальное изучение вопросов, влияющих на поведение долгоживущих радионуклидов в различных почвах Беларуси, позволяет сделать следующее заключение:

За период наблюдений с 1986 по 1997 г. мощность экспозиционной дозы (МЭД) на постоянных пунктах наблюдений значительно снизилась. В первые послеаварийные месяцы этот процесс был обусловлен распадом короткоживущих радионуклидов. В отличие от Гомельской области на постоянных пунктах наблюдений Могилевской наблюдался меньший изначальный размер МЭД и более плавное ее снижение в последующие годы, что объясняется характером выпадения радионуклидов. Факторы, влияющие на течение миграционных процессов в почве, оказывают косвенное влияние и на параметры МЭД.

Для всех почв характерно извлечение водой незначительной доли (0,3−0,7%) 137Сs. В обменной форме, легко доступной корневой системе растений, его содержание колеблется в пределах от 2,1 до 10,4%. Ближний при определенных условиях резерв радиоцезия, потенциально доступного для растений, составляет 14,0−23,8% валового его содержания. Основная доля радионуклида (69,8−82,0%) находится в прочносвязанной форме, в том числе и внедренной в кристаллическую решетку глинистых минералов. Доступность растениям 137Сs со временем существенно уменьшается в процессе «старения» радионуклида и фиксации его в почве. За период с 1987 по 1993 г. доля подвижного радиоцезияуменьшилась с 29−74% до 5−29% валового (т.е. в среднем более чем в 3 раза). В последние годы скорость фиксации 137Сs уменьшилась. Для 90Sr характерно преобладание легко доступных для растений обменной и водорастворимой форм, которые в сумме составляют 53−87% валового содержания. Доля прочносвязанной фракции, извлекаемой 6 М HCl, невелика и колеблется от 3 до 19%. Обнаруживается высокая биологическая доступность 137Сs на торфяно-болотных почвах. Содержание 137Сs в водной вытяжке на порядок выше, чем его содержание в аналогичной вытяжке на минеральных почвах. Выявлены различия, связанные со степенью минерализации торфяной массы.

На всех изучаемых типах почв происходит, хотя и медленно, миграция вниз по профилю 137Сs и 90Sr. С увеличением степени увлажнения почв, темпы миграции увеличиваются. В почвах с ненарушенной дерниной основное количество радионуклидов содержится в 0−5-сантиметровом слое, а в почвах сельскохозяйственного использования практически все количество 137Сs находится в пахотном горизонте.

Скорость миграции 90Sr значительно выше, чем 137Сs, что связано с физико-химическими особенностями этих радионуклидов. Наличие вторичного загрязнения почв и растений радионуклидами за счет их горизонтальной миграции очевидно, и его необходимо учитывать в сельском хозяйстве. Гранулометрический состав почв в значительной степени определяет их поглотительную способность. Сорбционная способность почв зависит от степени дисперсности почвенных частиц. Коэффициенты перехода радионуклидов в растения, произрастающие на дерново-подзолистых суглинистых почвах, в 1,5−2 раза ниже по сравнению с дерново-подзолистыми песчаными почвами[1].

2. Изучение накопления радионуклидов в травостое лугов различного режима увлажнения

Результаты многолетних исследований говорят о высоких размерах накопления радионуклида, особенно 137Сs, травостоем кормовых угодий на торфяно-болотных почвах. Так, если для дерново-подзолистых супесчаных почв величина коэффициента пропорциональности составляет для многолетних знаковых трав 05−3, то для торфяно-болотных почв 3,4−8.

Для рационального использования таких кормовых угодий в условии радиоактивного загрязнения необходимо:

— проводить прогноз содержания Cs и Sr в кормах (зеленая масса, сено) с учетом плотности загрязнения и основных агрохимических свойств почв;

— увеличить их продуктивность;

— обеспечить получения дешевых кормов, отвечающих РДУ-99 по содержанию радионуклидов, за счет применения различных агротехнических и агрохимических мероприятий.

В ряде нормативных документов, действующих на территории Белоруссии, России и Украины, в условиях производства на загрязнённых территориях для прогноза содержания 137Сs и 90Sr в сельскохозяйственных культурах и кормах на всех типах почв используются только два агрохимических показателя: содержание подвижного калия (для прогноза 137Сs) и величина обменной кислотности рН (КСl) (для прогноза 90Sr)

В работах ряда отечественных и зарубежных учёных приводятся данные, свидетельствующие о наличии более тесной корреляционной зависимости между коэффициентами перехода 137Сs и 90Sr и другими агрохимическими показателями луговых почв (гидролитической кислотностью, содержанием MgO и СаО, содержанием гумуса, степенью насыщенности основаниями и др.) [18,30]

2.1 Цель, задачи, материал и методика исследований

Цель работы: 1. Установить корреляционные зависимости между величиной перехода 137Сs и 90Sr в травостои низинных лугов и основными агрохимическими свойствами торфяно-болотных почв.

2. Составить уравнения линейной и множественной регрессии, позволяющие прогнозировать величину коэффициентов перехода радионуклидов и степень загрязнения травостоя в отдаленный период после аварии на ЧАЭС.

На протяжении периода 1995;2005 изучали влияние основных агрохимических свойств торфяно-болотных почв на изменение величины коэффициентов перехода цезия и стронция в естественный травостой и урожай многолетних злаковых трав.

На наблюдательных площадках проведен учет урожая многолетних трав и отбор пробных снопов в 4-хкратной повторности 2 раза в год для определения удельной активности радионуклидов, а также почвенных образцов на глубину пахотного горизонта для определения основных агрохимических показателей. 18]

Почвенная, радиологическая и агрохимическая характеристики торфяно-болотных почв на наблюдательных площадках представлены в табл. 2.1

Таблица 2.1 — Радиологическая и агрохимическая характеристики торфяно-болотных почв наблюдательных площадок

Эта таблица свидетельствует о наличии более тесной корреляционной связи между плотностью загрязнения цезием и стронцием и другими агрохимическими показателями. Можно проследить, зависимость содержания радионуклидов от глубины почв низинного типа и агрохимических показателей. Максимальное количество радионуклидов содержится в Торфяно-глеевая (40 см) на хорошо разложившихся шейхцер-осоковых торфах. При этом на этой почве сравнительно низкий показатель калия, фосфора и Иок по сравнению с другими агрохимическими показателями. Минимальное количество зарегистрировано на Торфяно-маломощная (80 см) на среднеразложившихся осоковых торфах. Здесь наблюдаются выше средних агрохимические показатели.

Плотность загрязнения торфяно-болотных почв137Сs и 90Sr и основных агрохимические показатели определяли по общепринятым методикам. Степень окультуренности почв определяли с помощью интегрированного показателя — индекса агрохимической окультуренности (Иок), используемого для количественной оценки плодородия почв, варьируемого в пределах от 0,2 до 1,0 и рассчитанного с учетом обменной кислотности, содержания подвижных форм оксидов фосфора и калия по следующей формуле:

Иок= (pH-3,5)/4,8+ (P2O5−100)/2100+(K2O-100)/2700

радионуклид почва травостой увлажнение Содержание цезия в почвенных и растительных образцах на гамма-спектрометрических комплексах «Canberra» и «Oxford», а стронций радиохимическим методом по стандартной методике ЦИНАО с радиометрическим окончанием наальфа и бетта счетчике «Canberra-2400». Аппаратная ошибка измерений не превышала 15%.

Для количественной оценки поступления радионуклидов из почвы в растения рассчитывали коэффициенты пропорциональности Кп:

Кп=(Бк/кг):(кБк/м2)

Полученные данные обрабатывались методом дисперсионного и регрессионного анализов с использованием компьютерного программного обеспечения. Коэффициент перехода цезия и стронция в зависимости от типа тровостоя отображены в таблице 2.2 и 2.3

Таблица 2.2 — Коэффициент перехода 137Сs в основные виды кормов в зависимости от обеспечения калием торфяно-болотных почв

В данной таблице можно проследить связь между содержанием подвижного калия и типом травостоя.

Коэффициент перехода 137Сs больше в естественно злаково-разнотравном сене, влажностью 16% с содержанием калия менее 250 мг/ кг почвы. Самый низкий в сеянобобово злаковом травостое зеленой массы, влажностью 82% при содержании обменного калия более 1000 мг/кг почвы. Также можно отметить, что коэффициенты перехода отличаются и от мощности торфа. Меньше всего по всем показателям коэффициент на низинных торфяно-болотных почвах менее 1 м.