Особенности аккумуляции радионуклидов растительностью

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Особенности аккумуляции радионуклидов растительностью

Между плотностью загрязнения почв радионуклидами природно-растительных комплексов и удельной радиоактивностью растений существует прямая зависимость. Например, растения в 1990 г. имели следующую удельную радиоактивность: хвоя сосны -- 1,8-10^-7Ки/кг, черника -- 1,2- К)^-7. Плотность загрязнения почвы радионуклидами гамма-спектра на этих пробах была равна 7,0 и 19,9 Ки/км².

На луговых пробных площадях, как и в лесных фитоценозах, аналогичная закономерность соблюдалась только в идентичных типах луга, характеризующихся сходными свойствами почв. Так, пойма р. Сож щучка дернистая имела удельную радиоактивность 4,3-10^-8Ки/кг, осока пузырчатая--1,4-10^-7, клевер луговой -- 5,5-Ю^-8Ки/кг. Показатели удельной радиоактивности аналогичных растений на ПП 20 (Ветковский район, пойма р. Беседь) были значительно. Плотность загрязнения почв радионуклидами на этих пробных площадях была равна соответственно 4,2 и 17,1 Ки/км².

Растения живого напочвенного покрова аккумулировали эти радионуклиды по-разному: по аккумуляции стронция-90 выделяется овсяница овечья (в 10 раз интенсивнее цезия-137), а также лишайник олений мох (в 6 раз). В растениях в больших количествах обнаружены изотопы церия, празеодима и рутения, хотя они и не относятся к биогенным элементам. Их накопление соизмеримо с аккумуляцией стронция-90 и цезия-137. По аккумуляции изотопов плутония в растениях лесных фитоценозов, особенно сосняков, выделяется живой напочвенный покров, который концентрирует эти радионуклиды на 1--2 порядка больше, чем сосна. Н^ луговых пробах подавляющее количество видов концентрирует цезий-137, в меньшей степени -- изотопы стронция-90.

По изотопному составу радионуклидов, содержащихся в природно-растительных комплексах, можно проследить динамику общего содержания гамма-излучаюших радионуклидов в растениях. С момента аварии удельная радиоактивность растительности непрерывно падала.

Значительные колебания удельной радиоактивности отмечаются в самой близкой к аварийному реактору точке д. Масаны. Это связано с распадом короткоживущих изотопов -- церия, празеодима и рутения, а также цезия-134.

В настоящее время радиоактивность почв и растений определяется в основном радиоизотопами цезия, стронция и плутония.

С течением времени в почвах уменьшается подвижность цезия-137, а стронция-90 возрастает. Это отражается на поступлении данных радионуклидов в растения. Очевидно, что поступление цезия-137 в растения за 5 лет сократилось в 5--10 раз, а стронция-90 возросло в такой же степени. Это обстоятельство следует учитывать при использовании растительных ресурсов в зонах радиоактивного загрязнения.

Для практики лесного хозяйства очень важны сведения о закономерностях распределения радионуклидов по органам растений. Установлено, что радионуклиды больше всего скапливаются в хвоё (листьях), затем в коре, ветвях, меньше всего их в Древесине.

При использовании «чистой» древесины мы получаем большую массу отходов с высокой радиоактивностью, которые неизвестно куда девать -- то ли сжигать, то ли подвергать захоронению. Однако отходы -- ценное сырье, его нельзя терять, это неэкономично. Мы рекомендуем воздерживаться от эксплуатации таких насаждений в ближайшие 30--60 лет до понижения радиоактивности органов древесных пород до приемлемого уровня за счет естественного распада радионуклидов.

В лесных фитоценозах картина несколько иная. Из напочвенного покрова в почву возвращается примерно 50% радионуклидов, а из древесного яруса за счет опада хвои, веток, шишек, коры в почву поступает около 5% радиоизотопов, или 0,1 Ки/км². Общий возврат радионуклидов в почву составляет (с учетом живого напочвенного покрова) 0,46 Ки/км².

Таким образом, живой напочвенный покров, особенно травянистые растения, принимает более активное участие в круговороте радионуклидов в природно-растительных комплексах. В результате изучения круговорота радионуклидов в природно-растительных комплексах можно составить схему распределения радионуклидов между компонентами биогеоценоза. Наибольшей удельной радиоактивностью обладает нижний ярус фитоценоза (мхи, лишайники, грибы), затем идут травянистые виды, кустарнички, подлесок и подрост. Наименьшая удельная радиоактивность характерна для древесного -- верхнего -- яруса фитоценоза. Это связано с особенностями биологии и строения растений. В большем количестве радионуклиды накапливаются в тех органах и тканях растений, в которых происходит интенсивный обмен веществ и относительно высокий процент белка. В одревесневевших органах и тканях, играющих проводящую роль, радионуклиды накапливаются в меньших количествах. В связи с этим сильнейшими биоконцентратами радионуклидов являются шляпочные грибы.

2. Накопление радионуклидов в почвах и растениях

Значительная часть радионуклидов находится в почве, как на поверхности, так и в нижних слоях, при этом их миграция во многом зависит от типа почвы, водно-физических и агрохимических свойств.

Основными радионуклидами, определяющими характер загрязнения, в нашей области является цезий - 137 и стронция - 90, которые по разному сортируются почвой. Основной механизм закрепления стронция в почве - ионный обмен, цезия - 137 обменной формой либо по типу ионообменной сорбции на внутренней поверхности частиц почвы.

Поглощение почвой стронция - 90 меньше цезия - 137, а, следовательно, он является более подвижным радионуклидом.

В момент выброса цезия - 137 в окружающие среду, радионуклид изначально находится в хорошо растворимом состоянии (парогазовая фаза, мелкодисперсные частицы и т.д.)

В этих случаях поступления в почву цезий - 137 легко доступен для усвоения растениями. В дальнейшем радионуклид может включаться в различные реакции в почве и подвижность его снижается, увеличивается прочность закрепления, радионуклид “стареет”, а такое “старение” представляет комплекс почвенных кристаллохимических реакций с возможным вхождением радионуклида в кристаллическую структуру вторичных глинистых минералов.

Механизм закрепления радиоактивных изотопов в почве, их сорбция имеет большое значение, так как сорбция определяет миграционные качества радиоизотопов, интенсивность поглощения их почвами, а, следовательно, и способность проникать их в корни растений. Сорбция радиоизотопов зависит от многих факторов и одним из основных является механический и минералогический состав почвы тяжёлыми по гранулометрическому составу почвами поглощённые радионуклиды, особенно цезий - 137, закрепляются сильнее, чем лёгкими и с уменьшением размера механических фракций почвы прочность закрепления ими стронция - 90 и цезия - 137 повышается. Наиболее прочно закрепляются радионуклиды илистой фракцией почвы.

Большему удержанию радиоизотопов в почве способствует наличие в ней химических элементов, близких по химическим свойствам к этим изотопам. Так, кальций - химический элемент, близкий по своим свойствам стронцию - 90 и внесение извести, особенно на почвы с высокой кислотностью, ведёт к увеличению поглотительной способности стронция - 90 и к уменьшению его миграции. Калий схож по своим химическим свойствам с цезием - 137. Калий, как неизотопный аналог цезия находится в почве в макроколичествах, в то время как цезий - в ультромикроконцентрациях. Вследствие этого в почвенном растворе происходит сильное разбавление микроколичеств цезия - 137 ионами калия, и при поглощении их корневыми системами растений отмечается конкуренция за место сорбции на поверхности корней. Поэтому при поступлении этих элементов из почвы в растениях наблюдается антагонизм ионов цезия и калия.

Кроме того эффект миграции радионуклидов зависит от метеорологических условий (количество осадков).

Установлено, что стронций - 90 попавший на поверхность почвы, вымывается дождём в самые нижние слои. Следует заметить, что миграция радионуклидов в почвах протекает медленно и их основная часть находится в слое 0 - 5 см.

Накопление (вынос) радионуклидов сельскохозяйственными растениями во многом зависит от свойства почвы и биологической особенности растений. На кислых почвах радионуклиды поступают в растения в значительно больших количествах, чем из почв слабокислых. Снижение кислотности почвы, как правило, способствует уменьшению размеров перехода радионуклидов в растения. Так, в зависимости от свойства почвы содержание стронция - 90 и цезия - 137 в растениях может изменяться в среднем в 10 - 15 раз.

А межвидовые различия сельскохозяйственных культур в накопление этих радионуклидов наблюдается зернобобовыми культурами. Например, стронций - 90 и цезий - 137, в 2 - 6 раз поглощается интенсивное зернобобовыми культурами, чем злаковыми.

Поступление стронция - 90 и цезия - 137 в травистой на лугах и пастбищах определяется характером распределения в почвенном профиле.

На целинных участка, естественных лугах, цезий находится в слое 0-5 см, за прошедшие годы после аварии не отмечена значительная вертикальная миграция его по профилю почвы. На перепаханных землях цезий - 137 находится в пахотном слое.

Пойменная растительность в большей степени накапливает цезий - 137, чем суходольная. Так при загрязнении поймы 2,4 Ки/км²в траве было обнаруженоКи/кг сухой массы, а на суходольной при загрязнении 3,8 Ки/км²в траве содержалосьКи /кг.

Накопление радионуклидов травянистыми растениями зависит от особенностей строения дернины. На злаковом лугу с мощной плотной дерниной содержание цезия - 137 в фитомассе в 3 - 4 раза выше, чем на разнотравном с рыхлой маломощной дерниной.

Культуры с низким содержанием калия меньше накапливают цезия. Злаковые травы накапливают меньше цезия по сравнению с бобовыми. Растения сравнительно устойчивы к радиоактивному воздействию, но они могут накапливать такое количество радионуклидов, что становятся не пригодными к употреблению в пищу человека и на корм скоту.

Поступление цезия - 137 в растения зависит от типа почвы. По степени уменьшения накопления цезия в урожае растения почвы можно расположить в такой последовательности: дерново-подзолистые супесчаные, дерново-подзолистые суглинистые, серая лесная, чернозёмы и т.д. Накопление радионуклидов в урожае зависит не только от типа почвы, но и от биологической особенности растений.

Отмечается, что кальциелюбивые растения обычно поглощают больше стронция - 90,чем растения бедные кальцием. Больше всего накапливают стронций - 90 бобовые культуры, меньше корнеплоды и клубнеплоды, и ещё меньше злаковые.

Так на сорбцию радиоизотопов влияют многие факторы, и одним из основных являются механический и минералогический состав почвы. Тяжёлыми по механическому составу почвами поглощённые радионуклиды, особенно цезий - 137, закрепляются сильнее, чем лёгкими. Кроме того эффект миграции радионуклидов зависит от метеорологических условий (количества осадков).

3. Пути миграции радионуклидов в окружающей среде

Радиоактивные вещества попадающие в атмосферу, в конечном счёте концентрируются в почве. Через несколько лет после радиоактивных выпадений на земную поверхность поступления радионуклидов в растения из почвы становится основным путём попадания их в пищу человека и корм животным. При аварийных ситуациях, как показала авария на Чернобыльской АЭС, уже на второй год после выпадений основной путь попадания радиоактивных веществ в пищевые цепи - поступление радионуклидов из почвы в растения.

Радиоактивные вещества, попадающие в почву, могут из неё частично вымываться и попадать в грунтовые воды. Однако почва довольно прочно удерживает попадающие в неё радиоактивные вещества. Поглощение радионуклидов обуславливает очень длительное (в течение десятилетий) их нахождение в почвенном покрове и непрекращающееся поступления в сельскохозяйственную продукцию. Почва как основной компонент агроценоза оказывает определяющее влияние на интенсивность включения радиоактивных веществ в кормовые и пищевые цепи.

Поглощение почвами радионуклидов препятствует их передвижению по профилю почв, проникновению в грунтовые воды и в конечном счёте определят их аккумуляцию в верхних почвенных горизонтах.

Механизм усвоения радионуклидов корнями растений сходен с поглощением основных питательных веществ - макро и микроэлементов. Определённое сходство наблюдается в поглощении растениями и передвижения по ним стронция - 90 и цезия - 137 и их химических аналогов - кальция и калия, поэтому содержание данных радионуклидов в биологических объектах иногда выражают по отношению к их химическим аналогам, в так называемых стронциевых и цезиевых единицах.

Радионуклиды Ru - 106, Ce - 144, Co - 60 концентрируются преимущественно в корневой системе и в незначительных количествах передвигаются в назёмные органы растений. В отличие от них стронций - 90 и цезий - 137 в относительно больших количествах накапливаются в наземной части растений.

Радионуклиды, поступившие в подземную часть растений, в основном концентрируются в соломе (листья и стебли), меньше - в мягкие (колосья, метёлки без зерна. Некоторые исключения из этой из этой закономерности составляет цезий, относительное содержание которого в семенах может достигать 10 % и выше общего количества его в надземной части. Цезий интенсивно передвигается по растению и относительно в больших количествах накапливается в молодых органах, чем очевидно вызвана повышенная концентрация его в зерне.

В общем накопление радионуклидов и их содержание на единицу массы сухого вещества в процессе роста растений наблюдается такая же закономерность, как и для биологически важных элементов: с возрастом растений в их надземных органах увеличивается абсолютное количество радионуклидов и снижается содержание на единицу массы сухого вещества. По мере увеличения урожая, как правило, уменьшается содержание радионуклидов на единицу массы.

Из кислых почв радионуклиды поступают в растения в значительно больших количествах, чем из почв слабокислых, нейтральных и слабо щелочных. В кислых почвах повышается подвижность стронция - 90 и цезия - 137 снижается прочность их растениями. Внесение карбонатов кальция и калия или натрия в кислую дерново-подзолистую почву в количествах, эквивалентных гидролической кислотности, снижает размеры накопления долгоживущих радионуклидов стронция и цезия в урожае.

Существует тесная обратная зависимость накопления стронция - 90 в растениях от содержания в почве обменного кальция (поступление стронция уменьшается с увеличением содержания обменного кальция в почве).

Следовательно, зависимость поступления стронция - 90 и цезия -137 из почвы в растения довольно сложная, и не всегда её можно установить по какому-либо одному из свойств, в разных почвах необходимо учитывать комплекс показателей.

Пути миграции радионуклидов в организм человека различны. Значительная их доля поступает в организм человека по пищевой цепи: почва - растения - сельскохозяйственные животные - продукция животноводства - человек. В принципе радионуклиды могут поступать в организм животных через органы дыхания, желудочно-кишечный тракт и поверхность кожи. Если в период

радиоактивных выпадений крупных рогатый скот находится на пастбище, то поступление радионуклидов может составить (в относительных единицах): через пищеварительный канал 1000, органы дыхания 1, кожу 0,0001. Следовательно, в условиях радиоактивных выпадений основное внимание должно быть обращено на максимально возможное снижение поступления радионуклидов в организм сельскохозяйственных животных через желудочно-кишечный тракт.

Так как радионуклиды поступая в организм животных и человека могут накапливаться и оказывая неблагоприятное воздействие на здоровье и генофонд человека необходимо проводить мероприятия, снижающие поступление радионуклидов в сельскохозяйственные растения, снижение накопления радиоактивных веществ в организмах сельскохозяйственных животных.

4. Аккумуляция радионуклидов растениями лесных фитоценозов

Особенности поведения радиоактивных элементов в почве и растениях приводят к так называемой биогенной сепарации, которая проявляется в различном изотопном составе загрязненной почвы и произрастающих на ней растений. Распределение радионуклидов по их органам строго специфично и зависит от подвижности данного элемента в растении, его доступности, биологических особенностей растения и т.д.

Вопрос о поступлении и распределении в растениях (особенно древесных) различных радиоизотопов изучен недостаточно, что объясняется отчасти трудностями определения радионуклидов в растениях вследствие незначительного их содержания. А между тем изучение поведения различных радиоактивных веществ, особенно долгоживущих, имеет немаловажное значение для лесного хозяйства, так как дает возможность оценить радиобиологические эффекты, связанные с их транспортом в системе почва--растение, и получить прогнозные данные для разработки лесохозяйственных мероприятий на загрязненных радионуклидами территориях (создание лесных культур, заготовка хвойно-витаминной муки, селекция древесных растений и т.д.).

Из выпавших в результате аварии на ЧАЭС радионуклидов наибольший интерес для лесного хозяйства представляют⁹⁰Sr и⁴⁷Cs, которые при соответствующих условиях могут активно включаться в древесную растительность корневым путем, в значительной мере влиять на ее жизнедеятельность и определять степень использования. Большинство других радиоактивных изотопов (¹⁰³Ru,¹⁰⁶Ru,¹⁴⁴Ce и. др.) усваивается корневыми системами в небольших количествах и с точки зрения загрязнения растительной продукции несущественно. Поэтому необходимо было оценить роль основных лесообразующих древесных растений в вертикальной миграции радионуклидов по содержанию радиоактивных веществ в различных органах растений и почве в зависимости от уровня ее загрязнения, установить вклад основных продуктов распада в корневое питание опытных растений. Принималось во внимание, что динамика накопления изучаемых элементов отражает потребность растений в них.

Результаты исследования показали, что из важнейших долгоживущих продуктов деления через корневые системы в надземную часть древесных растении в наибольших количествах поступали^l37Cs и¹³⁴Cs. Они вносили основной вклад в удельную радиоактивность растений (в зависимости от их вида и плотности загрязнения почвы) -- от 25 до 80% общей концентрации изучаемых элементов. Поглощение цезия-134 и - 137 надземными органами растений шло примерно одинаково (1: 1). Некоторое несоблюдение этой закономерности при поступлении¹³⁴Cs и¹³⁷Cs в хвою второго и третьего года жизни объясняется, по нашему мнению, частичным поверхностным ее загрязнением. Наблюдается и определенная видовая специфичность в поглощении цезия-134 и цезия-137 из почвы. Максимальная аккумуляция этого элемента отмечена в листьях березы, несколько меньшая -- у дуба. Близкие концентрации цезия обнаружены в фотосинтезирующих органах осины, ольхи, хвое сосны первого года жизни. Относительно высокое содержание цезия-137 и цезия-134 (по сравнению с почвой) наблюдается в хвое сосны обыкновенной второго года жизни.

Поглощение радионуклидов растениями определяется еще и сорбционными процессами в почве. Так, при поступлении из водного раствора в наибольших количествах поглощается ¹³⁷Cs, в меньшей степени -- ⁹⁰Sr, тогда как при поступлении из почвы коэффициент накопления ¹³⁷Cs намного меньше, чем ⁹⁰Sr.

При исследовании поступления⁹⁰Sr и¹³⁷Cs в древесные растения из почв в Гомельской и Могилевской областях, загрязненных радионуклидами, такой закономерности не выявлено. Наоборот, в значительно больших количествах в надземную часть древесных растений поступает из почвы¹³⁷Cs. Повышенная миграция ¹³⁷Cs отмечалась и другими исследователями. Так, известно, что ¹³⁷Cs из дерново-подзолистых торфяных, супесчаных и песчаных почв Белорусского Полесья поступает в травянистые растения интенсивнее, чем ⁹⁰Sr. На исследованных почвах наблюдается большее (в среднем в 10 раз) по сравнению с ⁹⁰Sr поступление ^I37Cs в растения, о чем свидетельствует увеличение отношения ¹³⁷Cs: ⁹⁰Sr (до 16 раз). Считается, что основной причиной значительного поступления ¹³⁷Cs в растительность данного региона является малая фиксирующая способность почв по отношению к этому радионуклиду, что обусловлено особенностями их минералогического состава (невысоким содержанием илистых фракций, почти полным отсутствием глинистых минералов и высокой их гидроморфностью). Показано, что растениям доступен не только ¹³⁷Cs, находящийся в обменной форме, но и радионуклид в необменной форме.

Сравнительное перемещение радионуклидов в системе почва--растение удобно оценивать с помощью коэффициентов накопления (отношение концентрации элемента в растении к содержанию этого элемента в почве). При расчете коэффициентов нами использовались данные о концентрации радионуклидов в верхнем (0--5 см) слое почвы и листьях, где находится значительное количество исследуемых радионуклидов.

Обнаружены существенные различия в содержании радиоактивных веществ, обусловленные неодинаковой избирательной поглотительной способностью древесных растений (табл. 1). Наиболее высокие коэффициенты накопления (КН) характерны для поступления цезия в березу (2,8--3,8). Коэффициенты накопления для дуба и осины достаточно близки (1,39--1,56 и 1,42--1,44 соответственно). Мало различаются по этому показателю и ольха с сосной. Наиболее высокий уровень потребления стронция у дуба: коэффициент накопления равен 0,79. Близки к нему осина и ольха. Минимальная аккумуляция этого элемента отмечена у сосны (КН = 0,45). Береза по этому показателю занимает промежуточное положение (КН = 0,50). Потребление других радиоактивных элементов (церия, плутония, рутения, празеодима) также неодинаково.

Таблица 1. Коэффициенты накопления радионуклидов из почвы различными из древесными породами

Таблица 2. Содержание элементов питания в различных древесных растениях, %

Проведено сравнение поступления в исследуемые древесные растения изотопов стронция и цезия и их аналогов -- калия и кальция, так как известно, что поведение стронция-90 в системе почва--растение сходно с миграцией кальция -- его основного неизотопного носителя, а цезия-134 и -137 -- с калием. Установленные кафедрой почвоведения МГУ закономерности в содержании калия и кальция в листьях исследуемых нами древесных пород в основном справедливы и для радиоактивных изотопов стронция-90 и цезия-134 и -137 (табл. 2). Больше всего калия, кальция и радионуклидов стронция и цезия поглощают и накапливают лиственные древесные растения. Различия в поступлении и содержании радиоактивных изотопов цезия и стронция, обусловленные биологическими особенностями древесных пород, сходны с усвоением растениями их химических аналогов -- кальция и калия. Сопоставление данных табл. 1 показывает, что береза, осина и дуб накапливают в своих фотосинтезирующих органах радиоактивный изотоп цезия (как неизотопный калий) в количествах, превышающих их содержание в почве. Накопление радиоактивного стронция из почв идет слабее, чем накопление кальция, но видовая специфичность в основном сохраняется.

5. Особенности накопления радионуклидов растениями живого напочвенного покрова в дубравах

Дубравы по степени загрязнения они сильно отличаются друг от друга. Так, экспозиционная доза излучения па уровне почвы в 1986 г. была 13 -- 710 мк Р/ч, загрязненность почвы -- 185,2 и 112,4. Экспозиционная доза излучения в 1987 г. снизилась в 5--7 раз, активность почвы -- в 8--14 раз. В последующие годы отмечено дальнейшее снижение обоих показателей. В 1993 г. экспозиционная доза излучения снизилась до 46 мк Р/ч, активность почвы--до 1.7-- 7,2 Ки/км².

В напочвенном покрове дубрав широко распространены орляк обыкновенный, плауны, мхи и представители следующих семейств: лютиковых, розоцветных, гречишных, гераниевых, зонтичных, брусничных, первоцветных, норичниковых, сложноцветных, мареновых, ситниковых, лилейных, злаковых. Для исследования были взяты орляк обыкновенный, плаун булавовидный, герань кроваво-красная, буквица лекарственная, ожика волосистая, ландыш майский, купена лекарственная, вейник наземный, овсяница овечья.

Растения живого напочвенного покрова, произрастающие в дубравах, обладали в 1987 г. несколько меньшей общей г-активностью, чем в 1986 г., но разница у растений-эдификаторов и ястребинки зонтичной составила 50%, у остальных различия достигали 10--100 раз. По данным 1987 г., КНР снизились почти у всех видов. Максимальные значения зафиксированы в мае у марьянника дубравного, минимальные -- у ландыша майского, буквицы лекарственной, купены лекарственной. К 1990 г. общая активность травянистой и полукустарничковой растительности была равна (Ки/кг): у орляка 3-10^-7, мха Шребера -- 8,5 -10^-7, черники -- 1,4-10^-7, марьянника лугового -- 9,8-10 8, майника двулистного--1,8-10 6, овсяницы овечьей -- 5,5-10. В 1988 г. у растений живого напочвенного покрова колебались в следующих пределах: у орляка обыкновенного от 0,74 до 1,24, у марьянника дубравного от 0,24 до 2,71, у герани кроваво-красной от 0,02 до 0,82, у буквицы лекарственной от 1,30 до 6,21, у ожики волосистой от 0,02 до 2,12, у ландыша майского от 0,02 до 0,52, у купены лекарственной от 0,02 до 1,12, у овсяницы овечьей от 0,02 до 0,71, у горичника горного от 0,02 до 0,59, у вейника наземного от 0,02 до 0,71.

Анализ полученных данных показывает, что наблюдается снижение удельной гамма-активности у всех видов растений живого напочвенного покрова. Необходимо отметить, что при загрязнении почв дубрав до 50 Ки/км²растения семейства лилейных обладают большей активностью по сравнению с остальными. Увеличение плотности загрязнения в 2--10 раз приводит к адекватному увеличению активности вейника наземного. Общая - г -активность растительности живого напочвенного покрова к 1990 г. если и снизилась, то очень незначительно.

Данные г - спектрометрического анализа показывают, что в 1987 г. в слое почвы 0--5 см присутствовали следующие элементы:¹⁴⁴Се -- 3,0-10^-8Ки/кг;^I06Ru -- 3,0-10^-8;¹³⁴Cs -- 1,4- 10^-8; ¹³⁷Cs 4,3. 10^-8;⁹⁰Sr -- 6,6-10^-8(средние данные).

При проведении сравнительного анализа по накоплению изотопов цезия и стронция-90 в разные (1988 и 1992) годы исследований можно отметить снижение содержания изотопов цезия в растениях в 1,5--10 раз в зависимости от вида. Содержание стронция-90 увеличилось у орляка обыкновенного от 250 до 6850 Бк/кг (ПП 38), ландыша майского -- от 322 до 2540 (ПП 9), черники -- от 740 до 7700 Бк/кг (ПП 13).

Коэффициенты накопления цезия-137 растениями живого напочвенного покрова дубрав орляковых были следующими: овсяница овечья -- свыше 20, рамишия однобокая, вероника лекарственная, вейник наземный -- 6, купена лекарственная, брусника -- 5, черника, ландыш майский, орляк -- 2, герань кроваво-красная -- 1; стронция-90: овсяница овечья -- 7, вейник наземный-- 5, вероника лекарственная -- 3, черника, купена лекарственная-- 1, орляк -- 7, купена лекарственная, герань кроваво-красная -- 5, ландыш майский -- 3.

Таблица 3. Содержание изотопов в растениях живого напочвенного покрова в орляковых дубравах, Ки/кг

По общей гамма-активности коэффициенты накопления в растительности распределены следующим образом: мхи > гречишные, лилейные, сложноцветные > гераниевые > норичниковые > лютиковые > розоцветные > злаковые > ситниковые > папоротники > плауны > брусничные, мареновые > грушанковые > первоцветные, зонтичные.

6. Миграция радионуклидов в сеяные луговые травы

В связи с выведением из сельскохозяйственного производства значительных площадей естественных лугов и пастбищ, подвергшихся загрязнению радиоактивными выбросами в результате аварии на ЧАЭС, все большую актуальность приобретает проблема получения экологически чистой продукции в зонах с относительно невысоким (1--5 Ки/км²) уровнем радионуклидов в почве.

Создание сенокосов на загрязненных территориях сопряжено с разработкой системы агротехнических мероприятий, которые позволили бы, с одной стороны, поддерживать оптимальный уровень продуктивности травостоев и качества кормов, с другой -- способствовали эффективному снижению аккумуляции радионуклидов в надземной массе кормовых культур. Поэтому начиная уже с 1986 г. нами в условиях дерново-подзолистых супесчаных почв Мозырского района Гомельской области исследовалось влияние структуры агроценоза, минеральных удобрений и обработки почвы на миграцию основных дозообразующих радионуклидов в системе почва--растение. Радиологические исследования выполнялись на оказавшихся в зоне радиоактивного загрязнения опытах, которые были заложены в 1985 г. с целью изучения агротехнических и агрофитоценотических приемов повышения устойчивости и продуктивности агроценозов многолетних кормовых трав.

После распада короткоживущих радионуклидов в 1987 г. экспозиционная доза излучения в месте расположения опытного участка составляла на высоте 1 м над поверхностью почвы 70--80 мкР/ч, на поверхности почвы -- 80--100 мкР/ч, плотность радиоактивного загрязнения в слое почвы 0--5 см составляла 4--4,5 Ки/км². Таким образом, представлялась возможность исследовать динамику миграции радионуклидов в сеянце луговые травы на ненарушенной почве.

Опыты закладывались по следующим схемам.

Опыт 1. Одновидовые посевы и парные травосмеси на двух фонах минерального питания: 1) люцерна синегибридная, 2) ежа сборная, 3) кострец безостый, 4) тимофеевка луговая, 5) люцерна+ежа, 6) люцерна+кострец, 7) люцерна+тимофеевка.

Опыт 2. Одновидовые посевы бобовых трав на фоне Р90К120: клевер луговой, клевер розовый, клевер ползучий, клевер горный, люцерна синегибридная, люцерна серповидная, ляд-венец рогатый, астрагал солодколистный, эспарцет песчаный.

Повторность опыта трехкратная. Площадь опытных делянок 15 и 2. Почвенные и растительные образцы отбирались перед укосами. Радиоэкологический мониторинг осуществляли в течение вегетационных сезонов 1986--1988 гг.

Учитывая поверхностный характер загрязнения радионуклидами и слабую вертикальную миграцию их на автоморфных дерново-подзолистых почвах, в 1989 г. исследовали влияние перепашки почвы под многолетними травами на характер накопления радионуклидов в органах вновь высеянных растений. Для этого в конце вегетационного периода 1988 г. дернина опытного участка была распахана, а весной 1989 г. после дискования и культивации высеяны клеверо-ежовая и люцерно-ежовая травосмеси. Фон минерального питания -- предпосевное внесение полной дозы N12oP9oKi2o, а затем поукосно -- фосфорно-калийных удобрений (PSoKi2c). Контролем служили нераспаханные участки со старовозрастным травостоем.

Установлено, что суммарная радиоактивность почвы опытных участков в слое 0--5 см последовательно снижалась с мая до сентября 1986 г. в диапазоне 10~7--10~~8 Ки/кг, достигнув относительно стабильного уровня в мае 1987 г. Удельная гамма-активность почвы (еще не нарушенной) начиная с этого времени соответствовала плотности загрязнения 2,6--3,0 Ки/км² (опыт 1) и 2,1--2,3 Ки/км² (опыт 2). Сравнение кривых динамики радиоактивности почвы и сеяных трав показывает, что более резкое снижение уровня радиоактивного загрязнения растений по сравнению с почвой за вегетационный период 1986 г. обусловлено не только распадом короткоживущих радионуклидов, но и в значительной степени ослаблением поверхностного загрязнения листьев трав радиоактивными выпадениями. По уровню этого загрязнения в мае 1986 г., довольно четко выделяется группа клеверов (клевер луговой, ползучий и розовый), а также лядвенец рогатый, что связано с опушенностью листовой поверхности этих трав.

Поверхностное загрязнение люцерны посевной, люцерны серповидной, астрагала и эспарцета было существенно ниже, чем клеверов и лядвенца. Различия сохранились в основном и у растений 2-го укоса (июль 1986 г.) у клевера лугового и розового удельная радиоактивность надземной фитомассы почти на порядок превышала показатели других видов, а в 3-м укосе (сентябрь 1986 г.) максимальная величина радиоактивности отмечена у сильно опушенного клевера горного. В отличие от бобовых трав у многолетних злаков (ежи сборной, костреца безостого, тимофеевки луговой) растения 3-го укоса в 1986 г. отличались уже на порядок меньшими показателями.

Известно, что видовые и сортовые различия в накоплении основных дозообразующих радионуклидов (l37Cs и 90Sr) кормовыми растениями являются теоретической основой для разработки целенаправленного подбора сельскохозяйственных растений как способа фитомелиорации почв, загрязненных радиоизотопами, и средства для уменьшения содержания радионуклидов в продукции. Но дезактивирующий эффект выноса радиоизотопов с надземной массой растений, обладающих высокой накопительной способностью, значительно уступает по степени очищения почвы эффекту за счет естественного радиоактивного распада. Поэтому подбор культур для севооборотов и агротехнических приемов их рационального возделывания в загрязненных зонах остается в настоящее время одним из реальных способов получения относительно «чистой» кормовой продукции. По данным С. К- Фирсаковой (1974), накопление 90Sr сеяными многолетними злаками после механической обработки и перезалужения дерново-подзолистой почвы снизилось в 5--16 раз, а торфяной почвы -- в 14--31 раз по сравнению с естественными лугами.

Основной агротехнический прием, ограничивающий поступление цезия-134 и цезия-137 из почвы в растение,-- применение калийных удобрений -- связан с антагонистическим характером отношения цезия и калия в почвенном растворе и эффектом «разбавления» в надземной массе растений. Это нашло подтверждение и в исследованиях белорусских ученых (Шугля, Агеец, 1990). Калийные удобрения в комплексе с другими удобрениями снижают поступление цезия-137 в сельскохозяйственные растения в 2--20 раз. Нейтрализация кислотности почвенного раствора известкованием уменьшает накопление цезия-137 в урожае в 2--4 раза, а на легких по гранулометрическому составу почвах увеличение дозы фосфорных и калийных удобрений на фоне известкования снижает накопление изотопа цезия в растениях до 4--5 раз.

К сожалению, роль азотных удобрений в миграции основных дозообразователей из почвы в хозяйственно ценную часть кормовых травянистых растений освещена весьма противоречиво. Многие исследования свидетельствуют об усилении под влиянием минерального азота процесса миграции радиоактивного цезия в надземные органы кормовых растений, особенно на высокоплодородных почвах. Так, при внесении азота в аммонийной форме на черноземе концентрация цезия-137 в горохе возрастала на 18--52%, а на дерново-подзолистой почве -- на 72-- 83%. В то же время азот, внесенный в виде нитратов, практически не влиял на накопление радиоактивного цезия в урожае. Также противоречивы сведения о значении минерального азота в пострадиационном восстановлении структур растительной клетки. В настоящее время считается целесообразным на почвах, загрязненных цезием-137 и стронцием-90, применять азотные удобрения в составе полной минеральной подкормки со значительным преобладанием калия и фосфора (Алексахин и др., 1991). Внесение азотных удобрений рекомендуется проводить в таких дозах, которые обеспечивают наиболее высокие прибавки урожая в данных почвенных условиях.

Учитывая нерешенность проблемы растительного белка в Беларуси (дефицит переваримого протеина составляет в среднем 20--25%, в связи с чем себестоимость кормовой продукции возрастает в 1,5 раза, а расход кормов -- в 1,3--1,4 раза), весьма актуально изучение роли азотных удобрений в миграции радионуклидов в сеяные травы и регуляции этого процесса агрофитоценотическими приемами.

Исследования влияния структуры посева и азотных удобрений на аккумуляцию радиоизотопов цезия, стронция и плутония в надземной фитомассе люцерны и злаковых трав в монокультуре и смешанных посевах выявили ряд особенностей этого процесса, обусловленных как фитоценотическими факторами, так и воздействием минерального азота, вносимого в почву в виде калийной селитры.

Влияние совместного произрастания на аккумуляцию цезия-137 в надземных органах люцерны и злаков определялось видовым составом травостоя: в люцерно-ежовой и люцерно-кострецовой травосмесях в обоих компонентах поступление цезия увеличивается (у люцерны на 30--78, у ежи на 15, у костреца на 16%) относительно их монокультур. В люцерно-тимо-феечком травостое никаких изменений не отмечено. Внесение азотных удобрений стимулировало поступление l37Cs в растения люцерны, ежи и костреца в монокультурах, где содержание изотопа возросло соответственно на 54, 36 и 16% по сравнению с без азотным фоном. В люцерно-кострецовой смеси показатели накопления цезия, наоборот, снизились: у люцерны на 71, у костреца на 21%. Тот же эффект наблюдался у ежи в смеси с люцерной -- внесение минерального азота сократило миграцию 137Cs на 22% по сравнению с фосфорно-калийным фоном. Таким образом, наименее интенсивная миграция 137Cs и отсутствие стимулирующего влияния на нее азотных удобрений наблюдались у компонентов люцерно-тимофеечной смеси и в монокультуре тимофеевки.

Существенное снижение (до 2--7 раз) аккумуляции Sr при внесении минерального азота в почву отмечено в монокультурах люцерны и костреца, а также у компонентов люцерно-кострецовой и люцерно-тимофеечной травосмесей.

В люцерно-ежовой смеси азотные удобрения в 2,0--2,5 раза усилили поступление 90Sr в надземную массу, как бобового компонента, так и злака.

Как известно, уменьшение загрязнения продуктами радиоактивного деления продукции растениеводства с помощью внесения мелиорантов достигается через такие основные механизмы, как увеличение урожая и тем самым «разбавление» содержания радионуклидов на единицу веса урожая; повышение концентрации кальция и калия в почвенном растворе; закрепление микроколичеств радиоизотопов в почве путем внесения соответствующих соединений. И если полученные нами результаты по изменению степени аккумуляции 137Cs и 90Sr в сеяных травах под воздействием их совместного произрастания и внесения азотных удобрений можно рассматривать как проявление этих механизмов через физиолого-биохимические взаимодействия растений в агроценозах и их влияние на почвенную среду, то исследование миграции плутония в системе почва--растение предполагает разработку подходов, затрагивающих как почвенную химию, так и механизмы действия биотических и агрохимических факторов на его поступление в корни и аккумуляцию в надземных органах. Существует зависимость перехода плутония в раствор при снижении его сорбции почвенными частицами от интервала значений рН, механического состава и водно-воздушного режима почвы.

Сравнительный анализ содержания гамма-излучающих радионуклидов в почве и травах до вспашки (1988 г.) и после, вспашки дернины (1990 г.) позволяет судить об эффективности этого агротехнического приема в снижении миграции радиоизотопов в растения. Вспашка, заглубление верхнего (0--5 см) слоя почвы и последующая культивация при сохранении прежней технологии выращивания трав способствовали «разбавлению» концентрации радионуклидов в корнеобитаемом слое почвы. Суммарное содержание гамма-излучателей в почве снизилось в среднем в 1,8 раза за счет двухкратного уменьшения концентрации 137Cs и 134Cs, поскольку радиоизотопы цезия составляли более 65% суммарной концентрации. Вторым по значимости радионуклидом был 4аК, участие которого в общей гамма-активности почвы до вспашки составляло 23%, а после обработки -- 32%, т.е. оно не только не изменилось, но даже увеличилось в результате внесения калийных удобрений перед повторным высевом трав, а затем поукосно.

Таким образом, на дерново-подзолистых почвах сельхозугодий с плотностью загрязнения 2--5 Ки/км² гамма-активность сеяных трав определяется в основном 40К, концентрация которого в почве сохраняется высокой за счет внесения фосфорных и калийных удобрений, содержание в фосфорных удобрениях составляет 70-- 120 Б к/кг, а с внесением калийных удобрений в дозе 60 кг/га в почву поступает 1,35-10е Бк/кг калия-40.

Эффект от перепахивания почвы для равномерного перемешивания радионуклидов в пахотном горизонте может проявляться в основном в злаках, поскольку поглощающая деятельность корневых систем бобовых трав осуществляется по всему профилю обработанного слоя.

Анализ распределения радионуклидов цезия в корнях и надземных органах контрастных по свойствам видов (ежи сборной, костреца безостого и лисохвоста лугового) показал, что при внесении азотных удобрений в почву у ежи и костреца усиливается миграция радионуклидов цезия из корней в надземные органы: если на безазотном фоне соотношение удельной активности по цезию в корнях и надземной массе составляло у ежи 1:3, а у костреца 5:1, то на азотном фоне -- соответственно 1: 20 и 1:1. В то же время у лисохвоста лугового эти соотношения составляли на безазотном фоне 6: 1 и при внесении удобрений -- 16: 1.

Для более детального исследования особенностей перераспределения цезия между подземными и надземными органами был проведен вегетационный опыт с внесением в почву под луговые злаки стабильных изотопов цезия. Опыты были заложены в сосудах Митчерлиха на двух типах почвы: торфяно-болот-ной и дерново-глееватой суглинистой, т. е. нами были охвачены наиболее распространенные луговые почвы. Схема опыта: 7 видов луговых злаковых трав на безазотном фоне и на фоне внесения азота. Минеральные удобрения вносили в почву перед набивкой сосудов в виде солей: аммонийной селитры (на минеральной почве 1,71 г/сосуд, на торфяной--0,40 г/сосуд). Аккумуляция радиоцезия (Бк/кг) многолетними злаками

Таким образом, радиоэкологический мониторинг в луговых фитоценозах, проведенный в 1986--1990 гг. на пробных площадях естественных лугов, в разной степени удаленных от ЧАЭС, и в агроэкосистемах на опытах с сеяными травами, позволяет сделать следующие выводы.

1. Поступление радионуклидов и аккумуляция их в луговой растительности в период наблюдений определялись рядом факторов, в том числе количеством и элементным составом после-аварийных радиоактивных выпадений и характером взаимодействия радионуклидов с почвой, что в значительной мере повлияло на их доступность растениям, поглощение и миграцию в надземные органы луговых трав.

2. В послеаварийный период удельная радиоактивность растений в луговых фитоценозах зоны загрязнения, представленных в основном злаковыми и разнотравно-злаковыми ассоциациями, после резкого снижения в 1986--1987 гг. за счет распада короткоживущих радионуклидов стабилизировалась на пробных площадях в Гомельской области на уровне 10~8--10~6 Ки/кг, в Могилевской-- 10-9--10-8, в Минской -- 10 -9--10-8 Ки/кг;

4. Для ряда доминантных луговых растений установлены как межвидовые, так и внутривидовые различия в аккумуляции радионуклидов. Внутривидовые различия наиболее контрастно проявляются при сопоставлении уровней накопления гамма-излучателей на торфяных и минеральных почвах. При близких показателях плотности загрязнения удельная гамма-активность надземной фитомассы ценопопуляций одних и тех же видов в среднем на порядок ниже на торфяниках по сравнению с дерново-подзолистыми почвами вследствие высокой сорбирующей способности торфяной почвы, что обеспечивается присутствием в ней значительного количества гумусовых и низкомолекулярных кислот.

5. Самые низкие коэффициенты накопления гамма-излучающих радионуклидов, до 70--90% которых составляют радиоизотопы цезия, отмечены у луговых доминантов на торфяно-глеевых почвах (0,4--1,5). Значительно интенсивнее накопление гамма-излучателей луговой растительностью происходит на минеральных почвах.

6. Коэффициенты накопления радионуклидов на одной и той же почвенной разности могут существенно (до 4--6 раз) различаться не только у представителей разных систематических групп, но и у видов в пределах одного семейства, например мятликовых. Поэтому неправомерно использование в сравнительной характеристике накопления радионуклидов луговой растительностью такой таксономической единицы, как семейство. В основе анализа аккумулирующей способности луговых трав в отношении отдельных дозообразующих радиоизотопов должны лежать исследования морфофизиологических особенностей каждого доминанта лугового сообщества с учетом ценотических отношений компонентов и водно-физических и агрохимических параметров эдафотопа, определяющих концентрацию обменных форм радионуклидов в почвенном растворе.

радионуклид растение трава почва

Заключение

Детальное обследование лесов Беларуси показало, что в результате аварии на ЧАЭС более 1700тыс. га (четвертая часть от всей площади лесов) подверглась радиоактивному загрязнению. Следует отметить, что загрязненной считается территория, если плотность выпадений превышает 1Ки/км²по цезию-137, 0,15 Ки/км²по стронцию-90 и 0,01 Ки/км²по плутонию-238,239,240. Более 90% загрязненного лесного фонда приходится на зону загрязнения по цезию-137 от 5 до 15 Ки/км². В доаварийный период уровень радиоактивного загрязнения в лесах Беларуси достигал 0,2-0,3 Ки/км²и определялся в основном природными радионуклидами и искусственными радионуклидами глобальных выпадений, образовавшихся в результате испытаний ядерного оружия.

Из 88 существующих в республике лесхозов 49 в той или иной степени подверглось радиоактивному загрязнению, что в значительной степени изменило характер их хозяйственной деятельности. Крупномасштабное загрязнение лесных комплексов Беларуси резко ограничило использование лесных ресурсов, оказало негативное влияние на экономическое и социально-психологическое состояние населения в целом.

В первые дни после аварии до 80% радиоактивных выпадений было задержано надземной частью древесного яруса. Затем происходило быстрое очищение крон и стволов под воздействием метеорологических факторов, и в конце 1986 года до 95% радиоактивных веществ, задержанных лесом, уже находилось в почве, причем основная их часть в лесной подстилке, являющейся аккумулятором радионуклидов. Дальнейшая скорость миграции радионуклидов в глубь почвы зависела от вида растительного покрова, водного режима, агрохимических показателей почв и физико-химических свойств радиоактивных выпадений. Проведенные исследования показали, что в настоящий период основная часть радиоактивных выпадений по-прежнему сосредоточена в верхнем горизонте почв, где они хорошо удерживаются органическими и минеральными компонентами.

Загрязнение лесной растительности зависит от уровня радиоактивных выпадений и свойств почвы. На гидроморфных (избыточно увлажненных) почвах отмечается более высокая степень перехода в системе “почва - растение”, чем на автоморфных (нормально увлажненных) почвах. Чем выше плодородие почвы, тем меньшая доля радионуклидов поступает как в древостой, так и в организмы напочвенного покрова (грибы, ягоды, мхи, лишайники, травяная растительность).

Наибольшим содержанием радионуклидов в различных частях древесного полога характеризуются хвоя (листья), молодые побеги, кора, луб; наименьшее загрязнение отмечено в древесине. Аккумуляторами радионуклидов в лесных сообществах являются грибы, мхи, лишайники, папоротники. Лесной растительностью поглощается в основном цезий-137, стронций-90. Трансурановые элементы (плутоний-238,239,240 и америций-241) слабо включаются в миграционные процессы.

Таким образом, лесные экосистемы являются постоянным источником поступления радионуклидов в лесную продукцию, в частности, в пищевую. Накопление радионуклидов в лесных ягодах и грибах в 20-50 раз больше, чем их содержание в продуктах сельскохозяйственного производства при одинаковом уровне радиоактивного загрязнения. Исследования показали, что доза облучения, обусловленная потреблением лесных продуктов питания, в 2-5 раз выше доз, формируемых за счет употребления сельскохозяйственных продуктов. Причем в отличие от сельскохозяйственных угодий, лесные комплексы являются малоуправляемыми с точки зрения снижения радиационной нагрузки путем проведения различных эффективных контрмер с применением современных технологий. Пребывание в лесу также связано с дополнительным внешним облучением, поскольку леса явились естественным барьером, а, следовательно, -- резервуаром радиоактивных выпадений. Проблемы радиационной безопасности на загрязненных лесных территориях в основном решаются за счет ограничительных мероприятий.

В настоящий период сбор грибов и ягод на загрязненной территории весьма ограничен и практически полностью запрещен на территориях с плотностью выпадения более 2 Ки/км² по цезию-137. Однако, уровень содержания радионуклидов в пищевой продукции леса со временем будет уменьшаться за счет естественного радиоактивного распада и миграции радионуклидов в глубь почвы. Предварительные прогнозные расчеты показывают, что в 2015 году концентрация цезия-137 уменьшится до уровня допустимых норм.

Следует также отметить, что к настоящему времени разработано множество рекомендаций по выходу из создавшегося кризисного положения в отношении использования даров леса. Перспективным способом является искусственное культивирование экологически чистых грибов и ягод, что позволит снизить поступление радионуклидов в организм человека, а, следовательно, и риск для здоровья населения.