книги из ГПНТБ / Марей, А. Н. Глобальные выпадения цезия-137 и человек

равно 2,0—2,6. На супесчаных и суглинистых почвах значение его возрастает до 6,2—5,2.

ФОРМЫ СОДЕРЖАНИЯ ЦЕЗИЯ-137 В ПОЧВАХ

Фракции почвы обладают различной способностью адсорби­ ровать на поверхности катионы, находящиеся в жидкой фазе почвы. Прочность связи поглощенных катионов с почвой зави­ сит как от природы катионов, так и от физико-химических свойств адсорбционной среды. В зависимости от степени проч­ ности связи катиона с почвой различают формы, в которых он может находиться в почве. Так, часть катионов, поглощение которых носит ионообменный характер, вытесняется растворами нейтральных солей. Они носят название обменных катионов. Со временем часть поглощенных катионов под действием диф­ фузионного процесса взаимодействует с кристаллической решет­ кой глинистых минералов. При этом прочность связи катионов с почвой становится настолько сильной, что они не могут быть -вытеснены растворами нейтральных солей и становятся необ­

ную, вытесняемую растворами нейтральных солей, и необмен­ ные— кислоторастворимую, вытесняемую разбавленными кис­ лотами, и фиксированную. Между этими формами существует

€0

подвижное равновесие. Даже фиксация не является необрати­ мым процессом.

При изучении поведения калия в почве некоторые исследо-\ ватели [98, 170—172] установили, что по мере перехода обмен­ ного калия из почвы в раствор с ним может переходить труднообменный калий, а также калин кристаллической решетки мине­ ралов. Усвояемость различных форм калия подтверждается тем фактом, что растение за вегетационный период поглощает значительно больше калия, чем его содержится в почве в обменной формеДТГоказано также, что содержание калия в растениях находится в прямопропорциональной зависимости от содержа­ ния в почве так называемого кислоторастворимого калия, вы­ тесняемого из почвы 2 н. раствором соляной кислоты, в то вре­ мя как между содержанием обменного калия в почве и в расте- :нии не всегда наблюдается достаточная корреляция. Это объ­ ясняется тем, что доступным для растений является не только ■обменный калий, но и фиксированный, часть которого переходит в доступную для растений форму.

Сказанное о калии в какой-то мере можно отнести и к Cs137.

■Обменная и необменная формы не остаются постоянными, со временем происходит их перераспределение [173—175]. При этом часть необменного Cs137 становится доступной растениям.

Количественное определение содержания различных форм \ Cs137 в почвах не только представляет большой научный инте- j

•рес, но и приобретает серьезное практическое значение, так как / дает возможность обосновать выбор параметров, необходимых ./ для прогнозирования поступления Cs137 в растения.

Для получения данных о доступности продуктов деления растениям обычно используют метод почвенных вытяжек с при­ менением различных экстрагентов. Для определения обменных ■ форм применяют экстракцию 1 и. раствором уксуснокислого аммония, а необменных форм — более жесткие экстрагенты, ( позволяющие разрушить прочную связь катионов с почвой. / Обычно это разбавленные кислоты, поэтому экстрагированная ими часть катионов носит название кислоторастворимой. В поч­ вах полесских районов доступный растениям, или подвижный, 'Cs137 определяли в виде обменной и кислоторастворимой форм (табл. 4.4). Как видим, содержание обменного Cs137 в различного типа песчаных, супесчаных и суглинистых почвах БелорусскоУкраинского полесья не подчиняется какой-либо закономерности и колеблется в пределах 23—60 пкюри/кг. Содержание кислоторастворимого Cs137 в песчаных почвах выше содержания

и них обменного Cs137, и количество его уменьшается по мере перехода от песчаных почв к супесчаным и суглинистым. Кроме того, в самой группе песчаных почв наблюдается различие в со-

61

держании кислсторастворимого Cs137. Обращает на себя вни­ мание значительно большее его содержание в торфяно-болотных и в торфяно-глеевых почвах, подстилаемых песками (под­ группа Іа). Этот факт свидетельствует о способности песчаных почв, особенно торфяно-болотных и торфяно-глеевых, легче от-

Т а б л и ц а 4.4

Содержание подвижного цезия-137 в почвах и содержание цезия-137 в траве, п к ю р и / к г

ступного растениям Cs137), что хорошо согласуется с содержа­ нием Cs137 в траве, произрастающей на этих почвах. Концент­ рация Cs137 в траве, произрастающей на песчаных почвах, колеблется в пределах 2700—2000 пкюри/кг (в зависимости от типа почв), а в траве, произрастающей на супесчаных и сугли­ нистых почвах, составляет 450±290 пкюри/кг. Проведенный корреляционный анализ показал, что между содержанием Cs13T Bj) астениях и количеством Cs137, находящегося в кислоторас­ творимой форме, существует прямая корреляционная зависи­ мость. Коэффициент корреляции Р равен единице. В то же время между содержанием обменного Cs137 в почве и содержа­ нием Cs137 в растениях корреляции не найдено. Подобное явле­ ние наблюдали, как уже говорилось ранее, некоторые исследо­ ватели при изучении доступного растениям калия. Прямая за­ висимость между содержанием Cs137 в растениях и его кисло­ торастворимой формы в почве говорит о том, что при опреде­ ленных условиях эта форма Cs137 становится доступной расте­ ниям. Следовательно, в растение могут поступать из почвы об­ менный и кислоторастворимый Cs137.

62

При рассмотрении зависимости между накоплением Cs137' в растениях и содержанием подвижных форм Cs137 в почвах, полесских низменностей определяли коэффициент десорбции,, который представляет собой отношение суммарного количества, обменной и кислоторастворимой форм Cs137 к валовому содер­ жанию его в почве. Определение коэффициента десорбции в поч­ вах Полесья, отобранных в 1968—1970 гг. в различное время года, показало, что общий коэффициент десорбции Кд зависит от'типа почв. Наибольшее его значение наблюдалось на песча­ ных торфяно-глеевых и дерново-подзолисто-глеевых почвах. (Кд = 0,26). На супесчаных и суглинистых почвах он был значи­

десорбции кислоторастворимой формы Cs137 (Кд). В супесча­ ных и суглинистых почвах его значение почти в 2 раза меньше, чем в торфяно-глеевых песчаных почвах. Коэффициент десорб­

ции обменной формы Cs137 (Кд) оставался почти неизменнымкак в песчаных, так и в супесчаных и суглинистых почвах. На основании этого можно сделать вывод, что при определении- в лабораторных условиях подвижных форм Cs137 и установлении зависимости между содержанием подвижных форм Cs137 в почве и содержанием Cs137 в растениях наиболее показательным фак­ тором является коэффициент десорбции кислоторастворимой формы Кд. Отмечается лучшая корреляционная зависимость

между содержанием Cs137 в траве и К" Cs137 (Р = 0,95) по

Т а б л и ц а 4 . 5

Коэффициент десорбции для различных видов почв Полесья

между Кд и содержанием Cs137 в траве не наблюдается. Так, по мере изменения механического состава почв происходит уменьшение содержания Cs137 в траве в 5—10 раз, Кд для этих же почв уменьшается лишь в 2—5 раз. Такое несоответствие вызвано, по-видимому, тем, что коэффициент десорбции харак­ теризует лишь степень подвижности Cs137 в различных почвах, но не учитывает влияния на накопление Cs137 в растениях дру­ гих факторов, таких, как содержание калия в почве, pH почвы, качественный состав гумуса. Это предположение находит под­ тверждение при сопоставлении коэффициентов десорбции Cs137 и содержания Cs137 в растениях Белорусско-Украинского по­ лесья и Мещерской низменности (табл. 4.6). В обоих районах Кд уменьшается по мере изменения типа почв от песчаных к су­ песчаным и суглинистым. И в то же время, несмотря на боль­ шое значение Кд, накопление Cs137 в пастбищных растениях Ме­ щерской низменности значительно ниже его накопления в ра­ стениях Полесья, что вызвано различием минералогического состава почв этих районов и более высоким содержанием по­ движного калия в почвах Мещерской низменности, особенно его кислоторастворимой формы.

Из сказанного видно, что Кд как величина, характеризующая поведение изотопа в почве и определяющая долю подвижного Cs137 от общего количества его в почве, не дает полного пред­ ставления о переходе изотопа в растения. Это связано с тем,

•что метод почвенных вытяжек дает лишь относительное пред­ ставление о прочности связи катиона с почвой, так как условия экстракции, созданные в лабораторном эксперименте, сущест­ венно отличаются от природных почвенных условий. Наиболее точные данные о поступлении катиона из почвы в растения могут быть получены путем непосредственного определения его -содержания в них.

Т а б л и ц а 4.6

Зависимость содержания цезия-137 в траве от коэффициента десорбции в Белорусско-Украинском полесье и Мещерской низменности

‘64

ПОСТУПЛЕНИЕ ЦЕЗИЯ-137 ИЗ ПОЧВЫ В ПАСТБИЩ НЫ Е РАСТЕНИЯ

Процесс поступления Cs137- в растения очень сложный и за­ висит от целого ряда взаимосвязанных факторов, таких, как физико-химические свойства радионуклида, физико-химические свойства почвы и физиологические свойства растений. Изучению

чернозем, черноземная суглинистая, дерново-подзолистая и др.) Cs137 плохо переходит в растения. Коэффициент накопления его меньше единицы. Причем в одних и тех же условиях Cs137 не­ редко поступает в растения хуже, чем Sr90 [43, 181]. Однако в определенных условиях поступление Cs137 в растения может достигать значительных размеров [67, 78, 181].

К настоящему времени известно, что на поступление Cs137 в растения влияет тип почв, их механический и минералоги­ ческий состав. На легких по механическому составу песчаных почвах накопление Cs137 растениями значительно выше, чем на тяжелых суглинистых почвах [43, 60, 182]. Это связано с тем, что в легких почвах прочность сорбции меньше. Добавление мелкодисперсных почвенных фракций снижает поступление Cs137 в растения, причем самое сильное влияние оказывает или­ стая фракция почвы [58, 158, 183]. Указанное явление обуслов­ лено тем, что, во-первых, в связи с большой удельной поверх­ ностью илистая фракция обладает большой адсорбционной способностью и, во-вторых, в этой фракции содержится большая часть глинистых минералов, способных прочно фиксировать

Cs137.

Поступление Cs137 в растения в значительной мере зависит от содержания подвижных форм калия в почве. Чем больше в ней калия, тем меньше Cs137 переходит в растения. Содержание калия в почвах зависит от минералогического состава. Наиболь­ шую роль в питании растений калием играют слюдистые мине­ ралы. Кроме того, резервом доступного растениям калия слу­ жат полевые шпаты.

С увеличением в почве содержания стабильного цезия [43, 44] поступление Cs137 в растения увеличивается.

Особый интерес представляет влияние органического веще­ ства почвы (гумуса) на поступление Cs137 в растения. Известно что гумус сосредоточен в наиболее мелкодисперсной части почз и обладает высокой поглотительной способностью [158, 161]. Фиксирующей способностью, которая свойственна минеральной части почв, он не обладает. По-видимому, этим можно объяс­ нить наибольшее поступление Cs137 в растения из почв, богатых органическими веществами и бедных глинистыми частицами [44, 184—186]. В то же время отмечалось, что почвы с большим содержанием органического вещества обладают способностью

закреплять поглощенный Cs137 и внесение перегноя в почву снижает поступление Cs137 в растения [43, 187].

В ряде работ указано, что, несмотря на относительно более высокое поступление Cs137 в растения из легких почв, его мало накапливается в них по сравнению со Sr90 [127, 181]. В этом смысле районы Белорусско-Украинского полесья представляют особый интерес.

На исследовавшихся почвах наблюдалось более высокое (в среднем в 10 раз) по сравнению со Sr90 поступление Cs137 в растения. Результаты определения содержания Cs137 в расте­ ниях на пастбищах, включающих в себя различные типы почв

П р и м е ч а н и е . В скобках указан диапазон значений.

Cs137 в траве наблюдалось на торфяно-болотных почвах раз­ личной степени заболоченности, подстилаемых древнеаллюви­ альными песками. На дерново-подзолисто-глеевых и дерново­ слабо- и среднеподзолистых песчаных почвах содержание Cs137 несколько снижалось.

Для количественного выражения накопления Cs137 и Sr90 в растениях использовали коэффициент накопления Кф, пред­ ставляющий собой отношение количества Cs137 (Sr9®) на единицу

65

массы растений к количеству Cs137 (Sr90) на единицу массы почвы [165]. Обращает на себя внимание зависимость Kn Cs137 от типа почв. Наибольший К„ Cs137 наблюдался на торфяных почвах различной степени заболоченности, подстилаемых пес­ ками (подгруппа Іа), где К„ составлял 5,4 (табл. 4.8).

Т а б л н ц а 4.8

Коэффициент накопления Кн и содержание цезия-137 и стронция-90 в траве Белорусско-Украинского полесья

Как видно из полученных данных, большого различия в ко­ эффициенте накопления на песчаных почвах не наблюдалось, в то время как для почв более тяжелого механического состава, супесчаных и суглинистых, К„ резко снижался до 0,72—0,25. Между К,, и содержанием Cs137 в траве соблюдалась прямая зависимость: чем выше содержание Cs137 в растениях, тем больше КнКоэффициент накопления Sr90 не изменялся в та­ ких широких пределах и лишь на торфяных почвах наблюда-. лось небольшое его увеличение. Увеличение Кн Sr90 на торфяных почвах и ранее отмечали некоторые авторы. Они объясняли это увеличение особенностями органического вещества торфя­ ных почв, невысокой емкостью поглощения и значительной подвижностью органики почв [188].

Из сказанного выше следует, что на песчаных торфяно­ болотных и дерново-глеевых различной степени заболоченности

5* 67

и оглеенности почвах Белорусско-Украинского полесья наблю­ дается значительно большее по сравнению со Srso поступление Cs137 в растения.

Подобные, только в меньшей степени выраженные, явления отмечались на однотипных почвах Мещерской низменности. Поступление Cs137 в растения снижалось по мере изменения механического состава почв от песчаных к более тяжелым супесчаным и суглинистым, однако абсолютные значения коэф­ фициента Кп, как и содержание Cs137 в траве, значительно ниже

(табл. 4.9).

Т а б л и ц а 4.9

Коэффициент накопления Ки и содержание цезия-137 в пастбищных травах Белорусско-Украинского полесья и Мещерской низменности

Результаты гранулометрического и минералогического ана­ лизов * почв Полесья и Мещерской низменности показали, что различий в механическом составе почв этих двух районов не наблюдается. Легкие почвы относятся к группе связанных и рыхлых песков, более тяжелые почвы представлены супесями и легкими суглинками. Основными почвообразующими минерала­ ми являются кварц и полевые шпаты. В почвах Мещерской низ­ менности содержание полевых шпатов (20—33%) выше, нежели в почвах Полесья (11—20%). Среди минералов тяжелой фрак­ ции (плотность 2,8) преобладают роговая обманка (48—10%). гранат (32—14%), циркон (20—6%), рудный минерал (26— 14%). В меньшем количестве присутствуют эпидот, пироксен, турмалин, сфен. Все эти минералы не содержат в своем составе калий, чем и объясняется низкое содержание калия в почвах изучавшихся районов.

Содержание илистой фракции (меньше 0,001 мм) незначи­ тельно и составляет 0,5—0,6% в почвах Полесья, 2,3 и 7,8% в почвах Мещерской низменности. Электронно-микроскопиче­ ский и .термический анализы показали отсутствие глинистых ми-

* Гранулометрический и минералогический анализы почв выполнены отде­ лом исследования грунтов Государственного проектного института «Фундаментпроект».

68

нералов в илистой фракции почв Белорусского полесья. Ос­ новную часть фракции составляет органическое вещество, и лишь в некоторых случаях можно предположить наличие при­ меси монтмориллонита и гидрослюд. Подобное явление вызва­ но особенностями водного режима почв. Как говорилось ранее, для этих районов характерно близкое залегание грунтовых води обильное поверхностное увлажнение, что обусловливает хоро­ шую промытость почв и вынос мелкодисперсной фракции из верхних почвенных слоев.

В почвах Мещерской низменности в состав илистой фракции входят в основном монтмориллонит и гидрослюды (иногда в смеси с органическим веществом). Это обстоятельство имеет существенное значение, так как глинистые минералы обладают способностью фиксировать Cs137, тем самым уменьшать поступ­ ление его в растения. Наличие в илистой фракции почвы орга­ нического вещества не снижает поступление Cs137 в растения. Кн на торфяно-болотных и дериово-глеевых песчаных почвах Белорусско-Украинского полесья значительно выше, чем на та­ ких же почвах Мещерской низменности.

Некоторые авторы [44, 165, 181, 184—186] показали, что по­ ступление Cs137 в растения находится в прямой зависимости от количества органического вещества в почве. Нашими исследо­ ваниями, проведенными на почвах Белорусско-Украинского полесья и Мещерской низменности, какой-либо зависимости между содержанием органического вещества и Кн Cs137 в паст­ бищных растениях не установлено (табл. 4.10).

Наиболее четко выражено отсутствие влияния органическо­ го вещества на поступление Cs137 в растения в отдельных пунк­ тах, почвы которых при одинаковом количестве органического

вещества имеют различный минералогический состав

(табл. 4.11).

69