Радиоактивный стронций может поступать в растения двумя путями: аэральным, через надземные органы растений, и корневым.
Доля радионуклидов, осевших на поверхности растений при аэ-ральном поступлении на единице площади, от общего их количества, выпавшего на эту площадь, называется первичным удерживанием. Не только разные виды растений, но и разные органы и части растений обладают различной способностью удерживать выпавшие из атмосферы радионуклиды. Поданным Б.Н. Анненкова и Е.В. Юдинцевой (1991), первичное удерживание водного раствора 90 8г яровой пшеницей составило: для листьев - 41%, для стеблей - 18, для мякины - 11 и для зерна - 0,5%. Такая высокая удерживающая способность связана с тем, что радионуклиды в атмосферных осадках находятся в очень малых концентрациях (ультрамикроконцентрациях) и в таких условиях быстро и полно сорбируются на большинстве поверхностей, включая и листовую поверхность. Однако это возможно только в случае выпадения водорастворимых форм радионуклидов и не распространяется на загрязнения твердыми пылевидными частицами, например топливными. Время удаления с дождем и ветром половины задержанных радионуклидов с травянистых растений для зон умеренного климата составляет примерно 1-5 недель.
- 908г не только сорбируется на поверхности растений, но может и частично проникать в ткани надземных органов. Однако, несмотря на то что стронций аналог кальция, необходимого для метаболизма растений, процессы эти происходят медленно, и интенсивность их значительно ниже, чем при аэральном поступлении 137 С5.
- 908г характеризуется высокой подвижностью в системе «почва-растение». При одинаковой плотности загрязнения поступление 90 8г из почв в растения в среднем в 3-5 раз выше, чем 137 Сз, хотя при поступлении этих радионуклидов в растения из водных растворов более подвижным оказывается 137 Сз. Главной причиной этих различий является характер взаимодействия радионуклидов с почвой - 137 Сз в большей степени сорбируется в почве необменно, тогда как 90 8г находится в почве в основном в обменной формах.
Корневое поступление 90 8г зависит от свойств почв и биологических особенностей растений и колеблется в очень широких пределах: коэффициенты накопления (Кн) могут различаться в 30-400 раз. На разных типах почв Кн 90 8г варьируют для одной и той же культуры от 5 до 15 раз. В целом, чем больше емкость поглощения почв, выше содержание органического вещества, тяжелее механический состав почвы и в минеральной части хорошо представлены глинистые минералы, обладающие высокой поглотительной способностью, тем ниже коэффициенты перехода 90 8г из почвы в растения. Максимальные коэффициенты накопления наблюдаются на торфяных почвах и минеральных почвах легкого механического состава - песчаных и супесчаных, а минимальные - на плодородных тяжелосуглинистых и глинистых почвах (серых лесных и черноземах). Повышенному переходу радионуклида в урожай культур способствует переувлажнение почв.
Среди многих почвенных свойств кислотность и содержание обменного кальция оказывают основное влияние на поступление 90 8г в растения. С увеличением кислотности интенсивность поступления радионуклидов в растения возрастает в 1,5-3,5 раза. С увеличением содержания обменного кальция накопление 90 8г в растениях, напротив, уменьшается.
На карбонатных почвах происходит необменная фиксация 90 8г, и это приводит к снижению накопления его в растениях в 1,1-3 раза. Например, в карбонатном черноземе по сравнению с выщелоченным в 1,5-3 раза ниже содержание водорастворимого 90 8г и на 4-6% выше количество необменного 90 8г.
Скорость переноса 90 8г в звене «почва-растение» и далее по трофическим цепочкам зависит от содержания сопровождающих его носителей: изотопного (стабильного стронция) и неизотопного (стабильного кальция). При этом роль кальция для транспорта радионуклида важнее, чем стронция, так как количество первого существенно больше, чем второго. Например, концентрация стабильного стронция в почве равна в среднем 2-3 10 _3 %, а кальция - около 1,4%.
Для оценки перемещения радиоактивного стронция в биологических объектах используют отношение содержания 90 8г к Са, которое принято выражать в стронциевых единицах (с.е.).
1 с.е. = 37 мБк 90 8г/г Са.
Отношение стронциевых единиц в растениях к стронциевым единицам в почве называют коэффициентом дискриминации (КД):
КД = с.е. в растении / с.е. в почве.
Дискриминации стронция и кальция по отношению друг к другу не происходит, когда количество атомов 90 8г и кальция из почвы в растения переходит в одинаковом соотношении. Однако довольно часто при переходе 90 8г от одного звена к другому наблюдается снижение его содержания по отношению к кальцию. В этом случае говорят о дискриминации стронция по отношению к кальцию. В наи-
более типичных почвах средней полосы европейской части Российской Федерации коэффициент дискриминации колеблется от 0,4 до 0,9 для вегетативных органов растений и от 0,3 до 0,5 - для зерна (табл. 5.15; Корнеев, 1972; Рассел, 1971).
Таблица 5.15
Средняя величина коэффициента дискриминации (КД)
Отношение 90 8г к кальцию в зерне всегда меньше, чем в соломе, а в листьях свеклы и моркови меньше, чем в корнеплодах. На почвах, богатых обменным кальцием, коэффициент дискриминации обычно выше, чем на почвах с низким содержанием кальция, что связано с конкуренцией этих элементов при поступлении в растения. Это важно учитывать при выращивании кормовых культур, так как в кормах должно быть не только низкое содержание радиоактивного стронция, но и высокое содержание кальция, который препятствует поступлению 90 Бг в организм животных.
На накопление 90 Бг в растениях оказывают влияние их биологические особенности. В зависимости от вида растения накопление 90 8г в биомассе может отличаться от 2 до 30 раз, а в зависимости от сорта - от 1,5 до 7 раз.
Минимальное накопление 90 8г происходит в зерне и клубнях картофеля, максимальное - в бобовых и зернобобовых культурах. Если сравнить коэффициенты накопления 90 Бг в злаковых и бобовых культурах, то у бобовых они будут значительно выше (табл. 5.16).
Таблица 5.16
Коэффициенты перехода 90 Бг в разные сельскохозяйственные культуры на дерново-подзолистых супесчаных почвах (Бк/кг)/(кБк/м 2)
90 8г накапливается в основном в вегетативных органах растений. В зерне, семенах и плодах его всегда значительно меньше, чем в других органах. Причем стронций преимущественно накапливается не в корнях, а в надземных частях растений.
В порядке убывания концентрации 90 Бг полевые культуры распределяются следующим образом:
- зерновые, бобовые и зернобобовые: яровой рапс > люпин > горох > вика > ячмень > яровая пшеница > овес > озимая пшеница > озимая рожь;
- зеленая масса: бобовые многолетние травы > злаково-зернобобовые травосмеси > клевер > люпин > многолетние бобово-злаковые смеси > горох > многолетние злаковые травы > вика >
> рапс яровой > горохо-овсяная смесь > вико-овсяная смесь >
> кукуруза;
Естественные ценозы: разнотравье > осоки > злаково-разнотравные > разнотравно-злаковые > злаковые > мятлик луговой > ежа сборная.
Концентрация радиоактивного стронция в культурах зависит от содержания кальция в растениях. Из табл. 5.17 (Маракушкин, 1977, цит. по: Пристер, 1991) видно, что чем выше в культуре содержание кальция, тем больше в них накапливается 90 8г.
Таблица 5.17
(полевой опыт с постоянным уровнем загрязнения почвы)
Распределение корневой системы растений также оказывает влияние на накопление 90 8г. Например, такие плотнокустовые злаки, как овсяница овечья и мятлик полевой, накапливают 90 8г в 1,5- 3,0 раза больше, чем корневищные злаки - пырей ползучий и костер безостый. Это связано с тем, что у плотно кустовых злаков узел кущения находится на поверхности почвы и образующиеся молодые корни оказываются в самом верхнем загрязненном слое почвы. У корневищных злаков узел кущения и соответственно новые корни образуются на глубине 5-20 см, где содержание 90 8г в природных экосистемах значительно ниже. Культуры с неглубоким распределением корневой системы всегда больше загрязнены радионуклидом.
Травы с естественных лугов имеют выше концентрации 90 8г в биомассе, чем сеяные травы, что объясняется большей подвижностью радионуклида в верхнем дерновом горизонте почвы, где он находится в более доступной для растений форме, чем в минеральных горизонтах почвы.
в лесных экосистемах. При аэральном загрязнении лесных экосистем 90 8г надолго остается прочно закрепленным в наружных покровах древесных растений. Он характеризуется малой подвижностью и при листовом загрязнении практически не перемещается по тканям и проводящим путям растений.
Однако накопление 90 8г через корни, в отличие от ассимиляции через листья, намного более выражено и в древесной, и в травянистой растительности. Со временем это приводит к заметному накоплению радиостронция во всех частях растений, включая древесину. У хвойных пород деревьев накопление радионуклидов за счет корневого поступления проявляется заметно слабее, чем у лиственных. Наиболее значительно 90 8г поглощается осиной, рябиной обыкновенной, крушиной ломкой, ивами, лещиной обыкновенной. Более высокое накопление 90 8г по сравнению с |37 Сз характерно также для ели, дуба, клена, березы, липы.
Соотношение 90 8г: 137 С5 в древесине со временем существенно изменяется, от 0,2-0,7 во время аэрального загрязнения до 6-7 при преобладании корневого поступления. Это связано с тем, что |37 Сз в отличие 90 8г легче перемещается по органам растений после попадания на поверхность листьев, чем через корни, так как он прочно сорбируется почвой. 90 8г находится в почве в более доступной форме. Так, отмечают, что через 5-7 лет после загрязнения лесов Чернобыльской зоны содержание 90 Бг в древесине увеличилось в 5- 15 раз по сравнению с первым годом (Клековкин, 2004). Корневое поглощение 90 8г усиливается на гидроморфных почвах.
Чтобы спланировать правильное использование загрязненных стронцием-90 почв, т. е. получить урожай, пригодный для употребления, следует воспользоваться одним из существующих методов прогноза возможного содержания стронция-90 в урожае сельскохозяйственных культур при выращивании их на загрязненных почвах. При использовании приведенных ниже методов необходимо помнить, что при расчете содержания стронция-90 в почве учитывается не весь стронций-90, а| только его обменная часть, т. е. растворимое количество.
1. Расчет с помощью коэффициента накопления
Коэффициент накопления (КН) представляет собой отношение содержания стронция-90 в единице массы растительной продукции к содержанию изотопа в единице массы почвы:
КН = содерж. стронция-90 в 1 кг продукта / содерж. стронция-90 в 1 кг почвы
Таблица 7
Средняя величина коэффициента накопления для основных сельскохозяйственных культур
Примечание: Коэффициент накопления для овощей приведен на сырую массу; для зерна и сена – при стандартной влажности.
При прогнозировании возможного содержания стронция–90 в сельскохозяйственных продуктах с помощью коэффициента накопления необходимо определить или рассчитать содержание его в 1 кг пахотного слоя почвы, а затем путем умножения этой величины на коэффициент накопления (табл.7) установить возможное содержание изотопа в 1 кг растительной продукции.
В табл. 8 приведены данные расчетов с помощью коэффициента накопления возможного содержания стронция-90 (в пикокюри на 1 кг продукта) в основных сельскохозяйственных культурах при плотности загрязнения почвы 1 кюри/км2 обменным (растворимым) стронцием-90. При большей или меньшей плотности загрязнения величины, приведенные в этой таблице, уменьшаются или увеличиваются в соответствующее число раз.
Таблица 8
| Культура | Дерново-подзолистые почвы | Чернозем выщелоченный | |||
| Супесь | Легкий
Суглинок |
Средний
Суглинок |
Тяжелый
Суглинок |
||
| Пшеница (зерно) | 2310 | 1090 | 690 | 390 | 200 |
| Картофель (клубни) | 1150 | 560 | 330 | 190 | 100 |
| Столовая свекла | |||||
| (корнеплод) | 3960 | 1910 | 1120 | 660 | 330 |
| Капуста (кочан) | 2970 | 1650 | 730 | 530 | 230 |
| Огурцы (плоды) | 1150 | 560 | 330 | 200 | 100 |
| Томаты (плоды) | 460 | 230 | 130 | 80 | 30 |
| Клевер (сено) | 66000 | 36300 | 36300 | 19800 | 6600 |
| Тимофеевка (сено) | 23100 | 11550 | 6600 | 3960 | 1980 |
Примечание. Содержание стронция-90 в овощах приведено на сырую массу
2. Расчет с помощью коэффициента дискриминации
Стронций-90 поступает из почвы совместно с кальцием и между ними в растении получается определенное соотношение, которое в большинстве случаев меньше, чем соотношение их в почве, т. е. стронция, как правило, переходит в растения несколько меньше, чем кальция. Отношение стронция к кальцию в любых объектах принято выражать в так называемых стронциевых единицах (с. е.). Одна с. е. равна пикокюри стронция-90 на 1 г кальция в любом продукте (1 с. е. = 1пикокюри стронция 90 / 1 г кальция ).
Отношение стронциевых единиц в растениях к стронциевым единицам в почве принято| называть коэффициентом дискриминации (КД):
КД = с. е. в растении / с. е. в почве
В среднем для основных типов почв средней полосы европейской Российской Федерации коэффициент дискриминации можно принять равным 0,9 для вегетативных органов и 0,5 для зерна (табл.9).
Таблица 9
Средняя величина коэффициента дискриминации (КД)
В среднем для основных типов почв средней полосы европейской территории России коэффициент дискриминации можно принять равным 0,9 для вегетативных органов и 0,5 для зерна (табл.9)
Содержание стронция-90 в с. е. в почве рассчитывают образом: по данным радиометрических измерений плотность радиоактивного загрязнения почвы и с учетом процента растворимости радиоактивных осадков рассчитывают содержание стронция-90 в кюри на 1 кг пахотного слоя почвы. Затем определяют величину с. е. в почве путем деления количества обменного стронция-90 в пКи в 1 кг почвы на количество обменного кальция в граммах.
В табл. 10 приведены расчеты возможного содержания стронция (в с. е.) в основных сельскохозяйственных культурах на разных типах почв при плотности загрязнения почвы I кюри/км2 стронцием-90 (в обменной форме). При большей или меньшей плотности загрязнения почвы величины, приведенные в таблице, уменьшают или увеличивают в соответствующее число раз.
Таблица 10
3. Расчет с помощью «метода проростков»
Размеры возможного накопления стронция-90 в конечном урожае можно определить непосредственно путем выращивания 20-дневных проростков на загрязненной почве в лабораторных условиях и последующего их анализа на содержание стронция. Содержание радиостронция в проростках умножают на определенный коэффициент (табл. 11) и получают возможное содержание радиостронция в урожае на загрязненной почве. Этот метод требует предварительного определения содержания обменного стронция-90 в почве.
Таблица 11
Коэффициенты для расчета накопления стронция-90 в урожае по содержанию его в 20-дневных проростках
Почву для выращивания проростков берут пробоотборником на глубине пахотного слоя, тщательно перемешивают, берут около 200 г и готовят для посева на ней испытуемые семена. Семян должно 1,5-2 г. В 20-дневном возрасте проростки аккуратно срезают на уровне почвы, слегка промывают в подкисленной воде и анализируют на содержание в них стронция-90 по существующим методикам.
6. Мероприятия по снижению накопления радиостронция в урожае
Поступление в организм человека мигрирующих по биологическим пищевым цепям радиоактивных продуктов деления может быть уменьшено путем определенного воздействия на переход от одного звена к другому. По-видимому наибольшая возможность ограничить передвижение радиоактивных веществ в последующие звенья заложена в звене пищевой цепи почва — растение.
Накопление радиоактивных продуктов деления, в частности стронция-90, в урожае можно снизить путем использования различных агрохимических, агротехнических и механических приемов.
Для почв нечерноземной полосы с высокой концентрацией водородных ионов и подвижного алюминия перспективно известкование почв. На дерново-подзолистых кислых почвах необходимо вносить повышенные дозы извести (1,5-2,0 дозы по гидролитической кислотности), что позволяет снизить содержание стронция-90 в растениях в 2-5 раз. Наибольший эффект на почвах, бедных магнием, будет при внесении доломитовой муки.
Уменьшить переход стронция-90 из почвы в растения можно внесением в почву органических удобрений (торфа, перегноя). Эффект снижения накопления стронция-90 от применения органических удобрений будет выражен более резко на супесчаных почвах и меньше на среднесуглинистых и тяжелосуглинистых. Поэтому применение торфа, перегноя, прудового ила, сапропеля рекомендуется на супесчаных и суглинистых почвах.
Применение минеральных удобрений в определенной системе под различные культуры может быть одним из способов снижения содержания радиоактивных изотопов стронция и цезия в сельскохозяйственной продукции. Снижение уровня загрязнения урожая продуктами деления с помощью удобрений может быть обусловлено рядом причин. К ним относятся:
1) увеличение урожая и тем самым разбавление содержания стронцияция-90 на единицу массы, т. к. установлено, что накопление стронция растениями находится в обратной зависимости от величины урожая;
2) повышение в почве содержания кальция и калия, внесенных с удобрениями;
3) закрепление стронция-90 в почве путем соосаждения с фосфатами при систематическом внесении фосфорных удобрений. Однако при внесении физиологически кислых удобрений на некоторых почвах увеличивается их кислотность, что может усилить накопление продуктов деления в растениях. Азотные удобрения надо применять в таких дозах, которые могут обеспечить наиболее высокие прибавки урожая в данных почвенно-климатических условиях.
Фосфорные и калийные удобрения следует вносить в дозах, несколько превышающих потребность растений в этих питательных элементах. При таком соотношении питательных элементов минеральные удобрения могут быть фактором, снижающим уровень загрязнения урожая сельскохозяйственных культур. Калийные удобрения снижают накопление цезия-137 в урожае как при поступлении его в растения из почвы, так и через листья.
На дерново-подзолистых почвах под зерновые следует вносить по 20-30 т/га, под пропашные — 40-60 т/га органических удобрений (навоз, торф, компосты), не содержащих радиоактивных веществ. Торф на ограниченной площади под овощные, особенно на легких почвах, можно вносить до 100 т/га. Известь на супесчаных и легких почвах следует применять в дозах 4-6 т/га, а на средних и тяжелых суглинках — до 10 т/га.
В табл. 12 приведены рекомендуемые дозы извести, органических и минеральных удобрений, внесение которых в загрязненную стронцием-90 почву обеспечит снижение его содержания в урожае сельскохозяйственных культур примерно в 5 раз, а на легких песчаных и суглинистых почвах — до 10 раз.
| Культуры | Удобрения | Единица | Дерново-подзолистые почвы | Чернозем лесостепи | ||
| Супесчаные | Легкие
Суглинки |
Средние и тяжелые суглинки | ||||
| Зерновые | Известь
Органические |
Т/га
Действующего вещества |
6 | 6 | 10 | — |
| Зернобобовые | Известь
Органические |
Т/га
Действующего Вещества |
6 | 6 | 10 | — |
| Картофель | Известь
Органические |
Т/га
Действующего Вещества |
6 | 6 | 10 | — |
| Капуста | Известь
Органические |
Т/га
Действующего Вещества |
6 | 6 | 10 | — |
| Столовая свекла | Известь
Органические |
Т/га
Действующего Вещества |
6 | 6 | 10 | — |
Существенное влияние на размеры поступления радионуклидов из почвы в растения, как уже отмечалось, может оказать их перераспределение по профилю почвы в момент механической обработки.
В том случае, если площадь лугов в хозяйстве большая и они являются основным поставщиком кормов для животных в пастбищный период и в зимнее время, для существенного снижения поступления радиоактивных веществ в корма вполне достаточными мероприятиями могут быть обработка лугов фрезерными машинами или тяжелыми дисковыми орудиями, а также перепашка лугов отвальными плугами с последующим посевом многолетних трав. При недостатке семян многолетних трав обработанные луга можно засевать однолетними кормовыми культурами.
Включение лугов, загрязненных радиоактивными веществами, в кормовые севообороты может быть вполне оправдано, т. к. система таких севооборотов предусматривает многократную обработку почвы, при которой радиоактивные вещества перемещаются с почвой и более прочно сорбируются ее минеральными компонентами по сравнению с дерниной на лугах. Кроме того, в севообороте имеется возможность подбирать для посева такие культуры, которые в относительно небольших размерах накапливают радиоактивные продукты деления.
С точки зрения дезактивации почв, загрязненных радиоактивными веществами, определенный интерес представляет своевременная уборка растений, на которую в первую очередь оседают радионуклиды при прохождении радиоактивного облака.
Агрономическое значение удобрений в условиях радиоактивного
загрязнения не изменяется, но они приобретают новое, дополнительное
качество. Установлено, что удобрения могут как способствовать уменьшению размеров поступления радиоактивных веществ из почвы в растения, так и стимулировать поглощение отдельных нуклидов корнями растений.
Накопление радионуклидов в урожае сельскохозяйственных растений существенно изменяется в зависимости от комплекса условий, которые могут складываться в природной обстановке. Известно, что при одинаковом уровне радиоактивного загрязнения на различных почвах поступление нуклидов в растения и накопление их в урожае будут неодинаковыми. Это связано с многими факторами: механическим и минералогическим составом почв, наличием в поглощающем комплексе обменных катионов, кислотностью почвенного раствора, количеством органических веществ, а также биологическими особенностями растений, произрастающих на загрязненной территории.
Опыты с внесением минеральных удобрений на естественных лугах расположенных на черноземных почвах, показали, что они не могут рассматриваться в качество средства, ограничивающего поступление радиостронция из почвы в растения. Однако в случае перепашки на глубину 25 см и посева многолетних трав внесение суперфосфата может оказать положительное влияние на уменьшение размеров поступления радиостронция из пахотного слоя почвы в растения. Азот очевидно, может стимулировать поступление стронция-90 в растения.
По имеющимся данным, из кислых почв радиостронций и радиоцезий поступают в растения в больших количествах по сравнению с почвами нейтральными. В связи с этим широко известный в агрономической практике прием — известкование кислых почв — не только создает условия для лучшего роста растений, но и является одновременно средством существенного ослабления поглощения радионуклидов растениями из почвы.
Существенное влияние на переход цезия-137 из почвы в растения оказывают соли калия.
Внесение в почву органических удобрений обычно уменьшает поступление в растения стронция-90, цезия-137, церия-144 и рутения-106, причем наибольший эффект можно ожидать на почвах легкого механического состава. Особенно резко накопление радионуклидов снижается совместным внесением в дерново-подзолистые почвы органических и известковых удобрений, которых проявляются в течение ряда лет. Это мероприятие следует рассматривать как одно из наиболее действенных среди других агрономических приемов, направленных на снижение поступления радионуклидов из почвы в растения и одновременно на увеличение урожая сельскохозяйственных культур.
При ведении сельского хозяйства на землях, загрязненных радиоактивными веществами, следует соблюдать правила по использованию местных удобрений, которые сами могут стать источником активного загрязнения почвы и растений. Навоз, компост и зола, полученные с участков с высокой плотностью загрязнения, не должны использоваться на полях с низким уровнем радиоактивности. Эти удобрения следует вносить лишь на поля с более высоким уровнем загрязнения под посевы технических культур. При одинаковой плотности загрязнения земель органические удобрения, полученные с естественных лугов, не должны вноситься в пахотные земли, т. к. это неизбежно приведет к повышению загрязненности радионуклидами пахотных земель. Не следует вносить загрязненные радиоактивными веществами органические удобрения на поля овоще-картофельных севооборотов, т, к. получаемая продукция идет непосредственно в пищу человека.
Среди других агрономических и культуротехнических мероприятий, направленных на уменьшение поступления радиоактивных веществ в растения лугов и исключение возможности заглатывания радионуклидов с поверхности почвы животными при выпасе, заслуживает внимания метод нанесения на поверхность лугов тонкого слоя торфа, глины или других материалов, не загрязненных радиоактивными веществами.
Как уже отмечалось, радиоактивные продукты деления поглощаются различными видами растений с неодинаковой интенсивностью. При этом наблюдается прямая корреляция между поглощением растениями кальция и радиостронция, а также между калием и радиоцезием. Такие кальциефильные растения, как клевер, люцерна, вика, горох и другие бобовые культуры, обычно интенсивно поглощают радиостронций и в значительных количествах накапливают его в вегетативных органах. Злаковые же культуры, поглощающие кальций в сравнительно небольших количествах, мало накапливают радиостронция. Распределение радиоактивных продуктов деления в хозяйственной части урожая различных культур в пересчете на единицу массы продукта отличаться на порядок величин и больше (табл. 13).
Таблица 13
Накопление стронция-90 различными растениями по отношению к содержанию стронция-90 в тимофеевке луговой (в %)
Сравнительно невысокие размеры накопления стронция-90 характерны для зерна бобовых и злаковых культур, клубнеплодов и корнеплодов. Вегетативные же органы растений, особенно бобовых отличаются высокой концентрацией радионуклида.
При расчете содержания стронция-90 в урожае на кальций (стронциевые единицы) имеет место существенное перераспределение размеров загрязнения отдельных культур и хозяйственной части урожая. Вегетативные органы бобовых культур, например, оказываются в более выгодном положении, чем тимофеевки луговой, а клубни картофеля и корнеплоды свеклы находятся в равном положении с тимофеевкой луговой и лишь зерно овса и гороха по-прежнему отличалось наименьшим содержанием стронция-90 на 1 г кальция.
Материалы, приведенные в таблице 13, отражают некоторые закономерности накопления стронция-90 различными сельскохозяйственными культурами.
Совершенно очевидно, что соответствующим подбором культур и их сортов, а также использованием определенной части урожая можно ограничить поступление радиоактивных веществ в рацион сельскохозяйственных животных и человека.
Поступив из разрушенного реактора в окружающую среду, стронций находится в доступном для человека состоянии. Он вовлекается в биологические цепи миграции. Это означает, что стронций накапливается в растениях, которые человек употребляет в пищу. накапливается в организме домашних животных (например коров), которых люди содержат на загрязненных территориях и как следствие, молоко, мясо накапливает повышенное количество этого радионуклида. Употребляя продукты питания полученные на радиационно-неблагополучных территориях , человек способствует накоплению стронция в организме.
Кроме того, стронций может поступать в организм человека и при вдыхании пыли. Что же происходит с организмом человека, когда стронция накапливается очень много?
Где накапливается стронций в человеке?
Стронций остеотроп – то есть элемент, который накапливается избирательно в определенных тканях живых существ, в том числе и человека. Этим органом (тканью) является скелет (кости). Объясняется такая закономерность очень просто – по химическим свойствам стронций подобный кальцию, который является основных строительным элементом скелета всех организмов. При дефиците кальция, а зона Полесья бедна на этот элемент, и при наличии радиоактивного стронция – организм без разбору накапливает в костях этот радионуклид.
Накопления стронция в костях вызывает и другую важную проблему – радионуклид очень медленно выводится из человеческого организма (скелета). Через двести дней выводится только половина накопленного стронция.
Важно, что накапливаясь в костях – стронций облучает важные, говоря языком радиобиологии, критические органы человека – костный мозг . Место, где образовывается кровь человека. Высокое содержания стронция в костях человека способно оказать существенное воздействие на этот орган и вызвать соответствующие заболевания.
Чтобы понять насколько избирательно накапливается стронций в костной ткани, укажем, что например в мышечной ткани (мясе) стронция накапливается только один процент – остальное в костях.
Влияние радиоактивного стронция
Высокое накопление стронция, особенно в организме детей, может привести к крайне опасным последствиям. Радиоактивный стронций облучает растущую костную ткань, что приводить к заболеванию и деформации суставов ребенка, наблюдается задержка в росте. Это заболевание имеет даже свое название – стронциевый рахит.
Наиболее ярко негативное влияние стронция на организм человека запечатлено на фото ребенка, который пережил ядерную бомбардировку в Хиросиме.
Фото поражение человека инкорпорированным стронцием.
1 – фото ребенка через 2 года после бомбандировки (1947 год);
2 – прогрессирующее поражение сустава ноги (снимок сделан через 1 год после первого снимка);
3 – ребенок в 1951 году (развитие болезни).
Как уже отмечали, при высоком накоплении стронция в костях происходит облучение и поражение костного мозга. Хроническое облучение приводит к развитию лучевой болезни , появлению опухолей в системах кровообразования, а также возникают злокачественные опухоли в костях. Вызывает лейкемию, приводит к поражению печени и мозга человека.
Важным профилактическим методом, который позволяет предотвратить поступления стронция в организм человека является правильное приготовление пищи, которая получена на территориях подвергшихся загрязнению стронцием-90. Кулинарная обработка позволяет снизить концентрацию радионуклида в несколько раз. Ненужно пренебрегать такими простыми процедурами.
Аналогичная закономерность получена в опытах с картофелем. При облучении растений в период клубнеобразования урожай клубней при облучении дозами 7 – 10 кР практически не снижается. Если растения облучаются в более раннюю фазу развития, урожай клубней уменьшается в среднем на 30 – 50 %. Кроме того, клубни получаются не жизнеспособными из-за стерильности глазков.
Облучение вегетирующих растений не только приводит к уменьшению их продуктивности, но и снижает посевные качества формирующихся семян. Так при облучении вегетирующих растений не только приводит к уменьшению их продуктивности, но и снижает посевные качества формирующихся семян. Так при облучении зерновых культур в наиболее чувствительные фазы развития (кущение, выход в трубку) сильно снижается урожай, однако всхожесть получаемых семян существенно снижается, что даёт возможность не использовать их для посева. Если же растения облучают в начале молочной спелости (когда происходит формирование звена) даже в относительно высоких дозах, урожай зерна сохраняется практически полностью, однако такие семена не могут быть использованы для посева ввиду предельно низкой всхожести.
Таким образом радиоактивные изотопы не вызывают заметных повреждений растительных организмов, однако в урожае сельскохозяйственных культур они накапливаются в значительных количествах.
Значительная часть радионуклидов находится в почве, как на поверхности, так и в нижних слоях, при этом их миграция во многом зависит от типа почвы, её гранулометрического состава, 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 легкодоступен 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 ультра микроконцентрациях. 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 интенсивнее зернобобовыми культурами, чем злаковыми .
Поступление стронция–90 и цезия–137 в травостой на лугах и пастбищах определяется характером распределения в почвенном профиле.
В загрязнённой зоне, луга Рязанской области загрязнены на площади 73491 га, в том числе с плотностью загрязнения 1,5 Ки/км 2 - 67886 (36 % от общей площади), с плотностью загрязнения 5,15 Ки/км 2 - 5605 га (3%).
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/км 2 в траве было обнаружено
Ки/кг сухой массы, а на суходольной при загрязнении 3,8 Ки/км 2 в траве содержалось Ки /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 .
Накопление радионуклидов в растении зависит от содержания в почве элементов питания. Так установлено, что минеральное удобрение, внесённое в дозах N 90, Р 90, увеличивает концентрацию цезия – 137 в овощных культурах в 3 – 4 раза, а аналогичные внесения калия в 2 – 3 раза снижает его содержание. Положительный эффект на уменьшение поступления стронция – 90 в урожай зернобобовых культур оказывает содержание кальций содержащих веществ. Так, например, внесение в выщелочный чернозём извести в дозах, эквивалентных гидролитической кислотности, уменьшает поступление стронция–90 в зерновые культуры в 1,5 – 3,5 раза.
Наибольший эффект на снижение поступления стронция – 90 в урожай растений достигает внесением полного минерального удобрения на фоне доломита. На эффективность накопления радионуклидов в урожае растений оказывают влияние органические удобрения и метеорологические условия, а также и время их пребывание в почве. Установлено, что накопление стронция – 90, цезия – 137 через пять лет после их попадания в почву снижается в 3 – 4 раза .
Таким образом, миграция радионуклидов во многом зависит от типа почвы, её механического состава, водно-физических и агрохимических свойств. 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).
Накопление (вынос) радионуклидов сельскохозяйственными растениями во многом зависит от свойства почвы и биологической способности растений.
Радиоактивные вещества, попадающие в атмосферу, в конечном счете, 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.
Как добиться сбалансированного обеспечения растений элементами питания и снизить издержки?
Испытания ядерного оружия, рутинные и аварийные выбросы предприятий ядерно-энергетического цикла привели к повышению содержания радионуклидов в почвах сельскохозяйственных угодий. В отдельных местах, уровни поверхностного загрязнения земель стронцием-90 и цезием-137 достигают таких значений, что на них невозможно производство нормативно чистой сельскохозяйственной продукции без применения специальных мер.
Значительная часть радионуклидов антропогенного происхождения сосредоточена в верхнем слое почвы. Скорость миграции цезия-137 и стронция-90 вглубь редко превышает 0,5 см/год. В обрабатываемых почвах до 90% валового запаса цезия-137 и 75% стронция-90 сосредоточено в пахотном горизонте. Уменьшение содержания радионуклидов в почве происходит за счет процессов их естественного распада, выноса с урожаем и процессов миграции. Значительное влияние на горизонтальную миграцию радионуклидов оказывают ветер, стоки поверхностных вод, паводковые и дождевые потоки, пожары. Горизонтальная миграция с водными стоками приводит к заметному перераспределению радионуклидов на местности с неравномерным рельефом. В средней и нижней частях склонов плотность загрязнения почвы может быть на 20-25%, а под пропашными культурами - на 75%, выше, по сравнению с верхними элементами рельефа. Вторичное перераспределение радионуклидов можно ослабить с помощью почвозащитных севооборотов и систематического глубокого безотвального рыхления плужной подошвы.
На накопление радионуклидов в растениях оказывают влияние их валовое содержание в почве, а также физико-химические формы, в которых они находятся. Специалисты выделяют четыре основные формы: водорастворимая, обменная (растворима в растворе ацетата аммония), подвижная (растворима в слабом растворе соляной кислоты) и неподвижная (связанная или фиксированная). В растения могут поступать только те радионуклиды, которые находятся в первых трех из вышеперечисленных форм. После выпадения цезия-137 он легкодоступен для поглощения растениями. Но постепенно связывается, внедряясь в кристаллическую решетку глинистых минералов. В течение 10 лет в биологически доступных формах, как правило, остается 5-15% валового содержания данного радионуклида. Стронций-90, выпадает, преимущественно, в форме топливных частиц, которые разрушаются со временем. Поэтому биологическая доступность данного радионуклида со временем, наоборот, возрастает.
Коэффициенты перехода радионуклидов в растения также зависят от гранулометрического состава почвы. На суглинистых почвах они накапливаются в два раза слабее, чем на песчаных. Естественно, биологические особенности растений также сказываются на накоплении радионуклидов. Если в зависимости от вида коэффициенты перехода могут различаться на один - два порядка, то между различными сортами различия не столь велики.
Для получения нормативно чистого по радиологическим параметрам урожая, применяются специально разработанные защитные меры, которые применяются дополнительно к обычным агротехническим приемам возделывания той или иной культуры.
Наименее затратным приемом является подбор культур и сортов культурных растений, накапливающих радионуклиды в наименьшей степени. В порядке убывания коэффициентов перехода цезия-137, зерновые культуры можно расположить в следующий ряд: люпин, горох, вика, рапс, овес, просо, ячмень, пшеница, озимая рожь. Как правило, картофель и свекла накапливают цезий в меньших количествах. Построить четкий убывающий ряд величины накопления цезия в овощных культурах практически невозможно, ввиду сильной зависимости коэффициентов перехода от сортовых особенностей.
Характер распределения культур по степени накопления стронция-90 сильно отличается от такового для цезия-137. В наибольшей степени данный радионуклид накапливает яровой рапс, за ним следуют люпин, горох, вика, ячмень, яровая пшеница, овес, озимая пшеница и озимая рожь. Как цезий, так и стронций сильнее накапливаются в соломе злаков, и гораздо меньше переходят в зерно. Клубни картофеля накапливают стронций-90 в меньших количествах, по сравнению с корнеплодами свеклы.
Исходя из коэффициентов перехода, следует осуществлять строгие мероприятия по контролю за содержанием радионуклидов в продукции растениеводства при ведении хозяйства на землях с плотностью поверхностного загрязнения цезием-137 выше 15 Ки/км 2 . В диапазоне 15-40 Ки/км 2 , как правило удается получить нормативно чистые урожаи зерновых и картофеля.
Эффективным методом ограничения поступления стронция-90 в растения является известкование почв. Дозы внесения извести или доломитовой муки зависят от кислотности почвы, гранулометрического состава, типа почвы и плотности загрязнения радионуклидами. Наименьшие коэффициенты перехода наблюдаются при доведении показателя pH до уровня, обеспечивающего получение максимального урожая, или легкого отклонения в щелочную сторону. Если расчеты показывают, что необходимо внесение более 8 т/га извести, то ее добавляют в два приема. Первые 50% вносятся под вспашку, а оставшаяся часть - под культивацию.
За счет известкования удается добиться снижения накопления стронция-90 в урожае в 1,5-3 раз. Известкование позволяет исключить увеличение коэффициентов перехода после внесения азотных удобрений. Это особенно важно для выращивания культур, урожай которых сильно зависит от подвижных форм азота в почве.
На почвах с достаточно глубоким гумусовым горизонтом рекомендуется выполнение глубокой мелиоративной вспашки. Если данный прием проведен, то последующие обработки почвы нельзя проводить на ту же глубину.
Применение органических удобрений повышает содержание гумуса в почве, улучшает ее структуру и снижает коэффициенты перехода радионуклидов в растения. Связано это с рядом явлений. Во-первых, многие радионуклиды эффективно связываются органо-минеральными комплексами. Во-вторых, существенное значение имеет увеличение обменной емкости почвы и доступности элементов-аналогов радионуклидов. В третьих, оптимальное содержание органического вещества в почве способствует получению более высоких урожаев, при этом происходит эффект «биологического разбавления» радионукида. В качестве органических удобрений годятся любые источники - навоз, торф, компосты, зеленые удобрения, нейтрализованный лигнин и продукты его переработки. Главное требование к удобрениям - минимальное содержание в их составе радионуклидов. При этом установлено, что внесение подстилочного навоза, из хозяйств, работающих на радиоактивно загрязненных землях, не вызывает заметного повышения содержания радионуклидов в почве. Эффективны в качестве органических удобрений и средств снижения накопления радиоизотопов в растениях сапропели. Дозы внесения органических удобрений должны быть такими же, как и на незагрязненных радионуклидами землях.
Азотные удобрения играют двоякую роль. С одной стороны, их недостаток приводит к снижению урожая. С другой - повышенные дозы увеличивают переход многих радионуклидов в растения. Дозы внесения азотных удобрений должны строго рассчитываться, исходя из планируемого урожая. Необходимо учитывать эффект последействия удобрений и проводить тщательный агрохимический анализ почвы. Идеальным вариантом является использование медленнодействующих азотных удобрений.
Внесение фосфорных удобрений позволяет снизить поступление радионуклидов в растения. Кроме того, подвижные формы стронция-90 выпадают в осадок, при взаимодействии с фосфатами.
Наиболее сильное влияние на снижение накопления цезия-137 в растениеводческой продукции оказывают калийные удобрения. Это связано как с антагонистическим влиянием калия на корневое поступление цезия, так и с повышением урожайности и «эффектом разбавления». При условии сбалансированного азотно-фосфорного питания, внесение калия также способствует снижению поступления стронция-90 в урожай. Наиболее эффективно применение калийных удобрений при содержании подвижных форм калия в почве до 100 мг/кг. На почвах слабо- и среднеобеспеченных калием внесение 160-240 кг K 2 O на гектар, приводит к 1,5-1,7-кратной прибавкой урожая, 1,5-2,7-кратному снижению накопления цезия-137 и 1,3-кратному снижению накопления стронция-90. На почвах с более высоким содержанием подвижных форм калия, вносить удобрения рекомендуется только в количествах восполняющих вынос элементов с урожаем.
Добиться сбалансированного обеспечения растений элементами питания и снизить издержки, позволяет использование комплексных удобрений, обогащенных микроэлементами и биологически активных веществами. При необходимости, рекомендуется внекорневая подкормка растений микроэлементами. Технологически она может сочетаться с внесением средств защиты растений, регуляторов роста, азотными подкормками. Дозы внесения микроэлементов не отличаются от рекомендуемых на незагрязненных землях.
Таким образом, дополнение традиционной агротехники возделывания сельскохозяйственных культур специальными защитными мероприятиями позволяет значительно снизить содержание техногенных радионуклидов в урожае.
Александр Никитин,
канд. с-х. наук
