4. Влияние режима увлажнения на поступление радионуклидов из почвы в растительность

Известно, что количество катионов цезия и стронция, вытесняемых из почвы в раствор, при постоянной концентрации возрастает с увеличением объема раствора, что предполагает повышенное накопление радионуклидов растениями [16].

Общеизвестно увеличение перехода ¹³⁷Сs и ⁹⁰Sr в травы естественных сенокосов на переувлажненных почвах по сравнению с сеяными травами на автоморфных почвах. Однако здесь оказывает влияние комплекс факторов, включая различия в окультуренности почв, видовом составе трав, удобрениях и др. Имеются сведения, что при разных режимах увлажнения почв могут не изменяться коэффициенты накопления радионуклидов растениями, но возрастает общий вынос радионуклидов за счет увеличения биомассы растений [25].

Рерих П.А. и Моисеев И.Т. установили, что поступление ¹³⁷Сs в зерновые и крупяные культуры на выщелоченных черноземах находится в обратной корреляционной зависимости от суммы осадков за вегетационный период и запасов влаги в метровом слое почвы [22].

Для определения влияния режима увлажнения почв на поступление радионуклидов в растения в 1992–1994 гг. проводились исследования на сенокосах Ветковского, Лоевского и Хойникского районов Гомельской области (табл. 1.5.1) [28]. На одном типе почв, различающихся степенью гидроморфизма и, следовательно, режимом увлажнения, подбирались участки сенокосов сходного ботанического состава трав. Влажность почв в период максимального роста и уборки трав различалась и составляла, соответственно, 4,5, 14,8 и 21,7%. Кислотность почв трех участков была близкой к оптимальной, а содержание обменных катионов кальция повышалось по мере возрастания степени увлажнения. Доля обменных форм ¹³⁷Сs последовательно повышалась от 9,6% на автоморфных до 10,7 на глееватых почвах и до 12,3% – на глеевых. Одновременно многократно возрастал переход ¹³⁷Сs и ⁹⁰Sr из почвы в растения ежи сборной. Долевое содержание водорастворимых и обменных форм ⁹⁰Sr также заметно повышалось на временно избыточно увлажненных и глееватых супесчаных почвах.

Таблица 1.5.1 - Влияние режима увлажнения почв и форм нахождения радионуклидов на их переход в растения ежи сборной (Хойникский район, 1994 г.)

Показатель	Дерново-подзолистые суглинистые почвы, развивающиеся на легких суглинках
	Временно избыточно увлажненные	Глееватые	Глеевые
pH KCl	5,8	4,87	4,25
Содержание в почве К2О	110	142	148
СаО	620	520	260
MgO	270	114	300
Содержание 137Cs в почве Бк/кг	1310	1370	1600
В т.ч. в вытяжках, % H2O	0,04	0,04	0,04
1M CH3COONH4	9,6	10,7	12,3
1M HCl	9,8	9,4	13,6
6M HCl	80,56	79,86	74,03
Содержание 137Cs в растениях Бк/кг	30	50	70
Ku	0,02	0,04	0,04
Содержание 90Sr в почве Бк/кг	120	170	270
В т.ч. в вытяжках, % H2O	4,5	3,1	5,9
1M CH3COONH4	45,2	50,4	51,0
1M HCl	43,7	40,8	42,6
6M HCl	6,6	5,7	1,5
Содержание 90Sr в растениях Бк/кг	240	550	900
Ku	2	3,2	3,3

Повышенный переход ¹³⁷Сs в растения ежи сборной по мере нарастания степени гидроморфизма наблюдался и на большом массиве осушенных дерново-заболоченных песчаных почв в Лоевском районе Гомельской области (табл. 1.5.2 и рис. 1.5.1). Здесь также отмечено заметное увеличение

доли обменных форм ¹³⁷Сs на глеевых почвах по сравнению с временно избыточно увлажненными и глееватыми. В значительно большей степени (до 27 раз) различались коэффициенты накопления ¹³⁷Сs растениями ежи сборной.

Таблица 1.5.2 - Влияние гидроморфности дерновых заболоченных песчаных почв на переход ¹³⁷Сs в растения ежи сборной (Лоевский район, 1993 г.)

Показатель	Степень гидроморфности почв
	Временно избыточно увлажненные	Глееватые	Глеевые
pH KCl	5,5	5,6	5,9
Содержание в почве обменных катионов мг.экв/ 100г почвы Са	2,46	4,68	8,8
Mg	1,11	1,01	1,9
гумус, %	1320	1740	1400
Содержание 137Cs в почве Бк/кг	0,1	0,1	0,9
В т.ч. в вытяжках, % H2O	3,5	3,3	17,5
1M CH3COONH4	13,0	10,6	5,0
1M HCl	76,2	83,0	70,5
6M HCl	76,2	83,0	70,5
Содержание 137Cs в растениях Бк/кг	278	1373	7951
Ku	0,21	0,79	5,68
Урожай сена ц/га	19,0	30,3	48,1

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

Рис. 1.5.1. Влияние гидроморфности дерновых заболоченных песчаных почв на переход радионуклидов в растения ежи сборной, Бк/кг

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

Для изучения причин значительных различий переходов радионуклидов в кормовые культуры (многолетние злаковые травы), возделываемые в хозяйствах загрязненной зоны, нами проведены исследования по определению форм нахождения радионуклидов в почвах в зависимости от типа почвообразования, характера и степени увлажнения почв на рыхлых и связных почвообразующих породах. В таблице 1.5.3 приведены результаты определений форм нахождения ¹³⁷Сs [2, 4].

Таблица 1.5.3. Формы нахождения ¹³⁷Сs в дерновых заболоченных и дерново-подзолистых заболоченных почвах, % (1995 г.)

Почвы	H2O	CH3COONH4	1M HCl	6M HCl
Дерновые, временно избыточно увлажненные, развивающиеся на песках	0,03	10,6	8,7	80,7
Дерново-глееватые развивающиеся на песках	0,48	19,1	15,7	64,7
Дерново-глеевые, развивающиеся на песках	0,5	24,0	26,7	48,8
Дерновые, временно избыточно увлажненные карбонатные, развивающиеся на легких суглинках	0,01	3,1	8,0	88,9
Дерново-глееватые карбонатные, развивающиеся на легких суглинках	0,04	5,1	4,3	90,6
Дерново-глеевые карбонатные, развивающиеся на легких суглинках	0,03	6,0	3,5	90,5
Дерново-подзолистые, временно избыточно увлажненные, развивающиеся на легких суглинках	0,04	9,6	9,8	80,6
Дерново-подзолисто-глееватые, развивающиеся на легких суглинках	0,04	10,7	9,4	79,9
Дерново-подзолисто- глеевые, развивающиеся на легких суглинках	0,07	12,3	13,6	74,0
НСР 095	0,007	2,38	3,07	8,56

Первое, что можно отметить, – это преобладание фиксированной формы ¹³⁷Сs, которая составляет 48–90% в разных почвах. Второе – более высокое содержание ¹³⁷Сs в обменной и непрочно фиксированной формах в почвах более увлажненных позиций. Третье – самое высокое содержание прочнофиксированных форм ¹³⁷Сs в дерновых заболоченных карбонатных почвах. В таблице 1.5.4 приведены результаты определения форм наховождения ⁹⁰Sr в исследуемых почвах.

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

Таблица 1.5.4 - Формы нахождения ⁹⁰Sr в дерновых заболоченных и дерново-подзолистых заболоченных почвах (1995 г.)

Почвы	H2O	CH3COONH4	1M HCl	6M HCl
Дерновые, временно избыточно увлажненные, развивающиеся на песках	9,5	63,7	20,4	6,4
Дерново-глееватые развивающиеся на песках	14,9	67,6	14,8	4,7
Дерново-глеевые, развивающиеся на песках	11,1	68,9	12,2	7,8
Дерновые, временно избыточно увлажненные карбонатные, развивающиеся на легких суглинках	4,1	40,9	43,4	11,6
Дерново-глееватые карбонатные, развивающиеся на легких суглинках	9,1	42,4	40,3	8,2
Дерново-глеевые карбонатные, развивающиеся на легких суглинках	6,9	48,1	41,1	3,9
Дерново-подзолистые, временно избыточно увлажненные, развивающиеся на легких суглинках	4,5	45,2	43,7	6,6
Дерново-подзолисто-глееватые, развивающиеся на легких суглинках	3,1	50,4	40,8	5,7
Дерново-подзолисто- глеевые, развивающиеся на легких суглинках	5,9	51,0	42,6	1,5
НСР 095	1,4	4,7	3,9	2,1

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

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

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

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

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

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

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

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

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