Локализация искусственных радионуклидов в почве

Оценка эффектов первичного концентрирования 137Cs в относительных единицах (коэффициенты концентрирования – КК) для отдельных структурных компонентов почвы в слое 0-2 см обнаруживает приблизительно равные значения КК в корневой массе, поверхностном слое агрегатов толщиной порядка 0,4 мм и во фракции, содержащей агрегаты размером < 1 мм и микроагрегаты. В слоях почвы 2-4 и 4-6 см на 1 и 2 порядка соответственно возрастают значения КК для корневых остатков, что свидетельствует о роли живых растений и их корней в вертикальном перераспределении 137Cs в условиях аэральных поступлений радионуклида на поверхность почвы в период активной жизнедеятельности растений (Шеин, 2003).

Представления о первичной локализации токсикантов на поверхности почвенных агрегатов в ряде случаев, например, с тяжелыми металлами, могут помочь отличить “свежие” загрязнения от фоновых содержаний если принять во внимание, что для элементов естественного происхождения или “старых” загрязнений отсутствует четкая дифференциация на агрегатном уровне, во всяком случае, в поверхностных биологически активных слоях почвы (Фокин и др., 2003).

1.6. Поступление 137Cs в растения из почвы

Интенсивность поступления цезия в растения зависит в первую очередь от биологических особенностей культуры и, от содержания в почве доступных (обменной и водорастворимой) форм радионуклида.

Для оценки интенсивности поступления радионуклидов из почвы в растения используются различные показатели, и в первую очередь коэффициент накопления (Кн) – отношение содержания радионуклида в единице массы растения и почвы соответственно:

Кн = араст/апочв,

где араст  и апочв – удельная активность в растениях и в почве соответственно (Бк/кг).

Коэффициент накопления 137Cs сельскохозяйственными растениями  изменяются от n·10-3 до n·10-1, однако для отдельных почв со своеобразными условиями Кн 137Cs достигает значения 4,5. К таким относятся почвы  Украинского и Белорусского полесий, где распространены дерново-подзолистые и торфяные супесчаные и песчаные почвы со своеобразным минералогическим составом, малым участием слоистых глинистых минералов, слабо насыщенные основаниями.

На практике часто используется производный показатель накопления радионуклидов, называемый коэффициентом перехода (Фокин и др., 2003):

КП = араст / аs,

где аs – плотность загрязнения почвы в Ки/км2 или кБк/м2.

Особенности минерального питания, разная продолжительность вегетационного периода, характер распределения корневой системы в почве, различия в продуктивности и другие биологические особенности растений влияют на накопление радионуклидов разными видами и сортами сельскохозяйственных культур.

Хорошо накапливают 137Cs калиелюбивые растения, т.к. его поглощение из почвы, как уже упоминалось, связано с усвоением К. Межвидовые различия в аккумуляции радионуклидов при корневом поглощении могут достигать 10-30 раз (табл. 1.2).

Как правило, содержание 137Cs выше в зернобобовых культурах по сравнению со злаковыми. Влияние сортовых различий в накоплении радионуклидов растениями менее значимо, чем видовых – пределы  колебания концентраций радионуклидов не превышают обычно 2-3 раз (Алексахин и др., 1985).

Наиболее интенсивно идет накопление радионуклидов в листьях и стеблях и значительно слабее в генеративных органах растений.

По аккумуляции 137Cs культуры являются: слабонакапливающими – например, зерновые (ячмень, пшеница, овес); средненакапливающими – крупяные (просо, чумиза, гречиха); сильнонакапливающими – зернобобовые (фасоль, горох и бобы).

Таблица 1.2

Коэффициенты перехода 137Cs в разные

сельскохозяйственные культуры на дерново-подзолистых супесчаных почвах, (Бк/кг) ·10-2/(кБк/м2) (Бондарь и др., 1994)

Культура	137Cs
	Солома, ботва, сено	Зерно, плоды, кочаны, корнеплоды, луковицы
Озимая пшеница	0,27-0,44	0,08-0,18
Яровая пшеница	0,23-0,36	0,13-0,16
Рожь	0,20-0,68	0,17-0,29
Ячмень	0,14-0,35	0,07-0,14
Овес	0,50-1,30	0,35-0,96
Кукуруза	0,43-0,60	0,05-0,15
Бобы	0,95-2,17	0,52-1,33
Вика	1,48-2,88	1,29-1,52
Люпин желтый	2,23-5,71	4,20-9,65

Видовые различия по коэффициентам накопления радионуклидов растениями дают возможность учесть негативные последствия путем подбора значимых в сельском хозяйстве культур с наименьшими коэффициентами поглощения радионуклидов (Кузнецов и др., 1995).

В порядке убывания концентрации 137Cs в продовольственной части урожая сельскохозяйственные культуры распределяются следующим образом:

• зерновые, бобовые и зернобобовые:

люпин > овес > гречиха > горох > ячмень > пшеница > кукуруза >

просо > соя > фасоль;

• овощные и картофель:

капуста > картофель > свекла > морковь > огурцы > томаты;

• травы:

            овсяница > райграс > костер > клевер > тимофеевка. 

1.7. Листовое поглощение 137Cs и его транслокация в корневые системы растений

Прежде всего, необходима оценка возможных масштабов листового поглощения токсикантов и их перераспределения по растению, в частности, поступления в корни и затем в различные горизонты почвы в составе корневых выделений или отмерших корневых остатков.

К сожалению, систематические исследования листового поглощения различных веществ в условиях как природных, так и сельскохозяйственных экосистем отсутствуют. Выделяют две фазы листового поглощения:

1.неметаболическое проникновение  через кутикулу;

2.включение в метаболизм  и перераспределение по органам.

Исследователями отмечается, что характер и скорость поглощения и перераспределения вещества, поглощенного надземными органами, сильно зависят от природы поглощенного соединения и его химического состояния, в частности, растворимости и концентрации; от вида выпадений (сухое или в составе атмосферных осадков); вида растения, фазы его развития, а также органа, на который произошло выпадение; внешних условий, при которых происходит поступление вещества на надземные органы (температура, влажность воздуха, освещенность).

Для радионуклидов глобальных выпадений допускается возможность листового поглощения сельскохозяйственными культурами сплошного сева до 50-60% и более от массы выпавших загрязняющих веществ в период вегетации.

Опыты с 137Cs были проведены в лабораторных условиях с водными культурами подсолнечника и фасоли на смеси Кнопа. Один лист одномесячного растения погружали на сутки в раствор, содержащий 137Cs в виде хлорида. Спустя сутки лист вынимали из раствора, капли снимали фильтровальной бумагой, и растение продолжало вегетировать еще 6 суток, после чего радиометрически определяли содержание 137Cs в различных органах и в питательном растворе.

Полученные результаты свидетельствуют о том, что 137Cs, поступивший на надземные органы в форме растворимой соли, на 40-80% могут включаться в метаболизм и перераспределяться по растению. От 25 до 90% от общего количества поглощенного растением элемента переходит из надземных органов в состав корней. 1-15% поглощенного надземными органами 137Cs спустя 7 суток обнаруживалось в составе корневых выделений. Таким образом, поток вещества в составе растений может быть очень существенным, и было бы неверно его не учитывать. В ряде случаев повышенное проникновение некоторых токсикантов в почву на значительную глубину можно объяснить действием именно этого механизма. В пользу такого предположения свидетельствуют повышенная миграция и глубина проникновения токсиканта при поступлении на участки поверхности, занятые растительностью (Фокин,  1999).

По-видимому, не последнюю роль могут играть данные механизмы в миграции 137Cs чернобыльских выпадений, обнаруживших неожиданно высокую миграционную подвижность радионуклида. Следует учитывать, что чернобыльские выпадения произошли в период начала активной вегетации растений, когда наиболее развита способность растений к поглощению элементов надземными органами. Следует также иметь в виду и более высокую способность 137Cs перераспределяться по органам растений по сравнению, например, со 90Sr. Наконец, многие сельскохозяйственные культуры на загрязненной территории не обрабатывались  и не убирались из-за высокого уровня загрязнений, поля зарастали, и режим их «функционирования» приблизился к естественным экосистемам, что и могло обусловить повышенное участие растений в перераспределении 137Cs по почвенному профилю. Первичное включение радионуклида в растение продолжает играть важную роль и после его отмирания, поскольку переход элементов из состава отмерших растительных остатков в следующие поколения растений происходит несравненно интенсивнее, чем из минеральной почвенной массы (Прохоров, 1981).

Важное значение для оценки роли растений в перераспределении элементов по почвенному профилю имеют представления не только о поглощении элемента корнями или надземными органами и характере последующего перераспределения по растению, но и о профильном вертикальном распределении корневого поглощения, а также о вертикальном распределении возврата элемента из растения в почву с прижизненными выделениями, с наземным или корневым опадом. Другими словами, необходимо оценить характер и размеры пространственного разобщения поглощения элемента и его возврата из растения в почву на уровне почвенного профиля. Получение этих сведений связано с решением очень непростых методических задач, и сделанные к настоящему времени оценки носят приближенный характер.

Наиболее разработана оценка возврата элементов в почву с наземным опадом. Возможность экспериментальных оценок и объем имеющейся информации резко уменьшаются при попытке оценить корневую составляющую перехода поглощенных элементов из живого растения в почву. Во-первых, практически отсутствуют данные по объему и составу корневых выделений в условиях почв. Во-вторых, отсутствуют методы, позволяющие относительно точно оценить размеры корневого опада при наличии в составе наземных экосистем многолетних растений. Профильное распределение живых корней и мертвых корневых остатков, даже если и удается их раздельно определить, не позволяет судить о величине  ежегодного корневого опада. Кроме того, данные о профильном распределении корней не отличаются многочисленностью.

Распределение корней растений по подземным ярусам определяется изменением с глубиной степени увлажнения почвы, ее богатством питательными веществами и уменьшением степени аэрации почвы с глубиной. Установлено, что за очень редким исключением общая масса подземных