Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Экспериментальное исследование и моделирование процессов, определяющих подвижность 90Sr и 137Cs в системе почва - растение

ВАК РФ 03.00.01, Радиобиология

Автореферат диссертации по теме "Экспериментальное исследование и моделирование процессов, определяющих подвижность 90Sr и 137Cs в системе почва - растение"

На правах рукописи

СЫСОЕВА Анастасия Анатольевна

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ И МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ, ОПРЕДЕЛЯЮЩИХ ПОДВИЖНОСТЬ 9(^г И В СИСТЕМЕ ПОЧВА-РАСТЕНИЕ

Специальность 03.00.01 - Радиобиология

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Обнинск - 2004

Диссертация выполнена во Всероссийском научно-исследовательском институте сельскохозяйственной радиологии и агроэкологии Российской академии сельскохозяйственных наук

Научные руководители

Ведущая организация Украинский научно-исследовательский институт сельскохозяйственной радиологии (г Киев)

на заседании Диссертационного совета Д'006 068 01 при Всероссийском научно-исследовательском институте сельскохозяйственной радиологии и агроэкологии 249032, Калужская обл, г Обнинск, Киевское шоссе, 109 км, ВНИИСХРАЭ, Диссертационный совет

Факс (08439) 6 80 66 Электронная почта sanzh@naг obninsk oIg С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ВНИИСХРАЭ

Доктор биологических наук, профессор Кандидат биологических наук

Санжарова Наталья Ивановна Коноплева Ирина Валиевна

Официальные оппоненты

Доктор биологических наук, профессор

Кандидат химических наук

Круглов Станислав Валентинович Булгаков Анатолий Алексеевич

Защита диссертации состоится

Ученый секретарь диссертационного совета доктор биологических наук, профессор

Н И Санжарова

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. Испытания ядерного оружия, а также нормализованные и аварийные выбросы предприятий ядерного топливно-энергетического цикла привели к существенному увеличению количества антропогенных радионуклидов в окружающей среде. Почва является исходным звеном миграции по сельскохозяйственным и пищевым цепочкам, что обуславливает необходимость детального исследования процессов, определяющих подвижность радионуклидов в почвах и в системе почва-растение.

В результате радиоэкологических исследований, начатых в 50-е годы прошлого века, были изучены общие закономерности миграции радионуклидов в системе почва-растение (В.М. Клечковский, И.В. Гулякин, Е.В. Юдинцева, P.M. Алексахин, Ф.И. Павлоцкая и др.). После аварии на Чернобыльской АЭС были получены новые данные о поведении радионуклидов: выявлены различия в динамике подвижности 90Sr и 137Cs, обусловленные влиянием свойств радиоактивных выпадений; определены количественные параметры, описывающие темпы снижения доступности радионуклидов растениям; выявлена роль почвенно-геохимических факторов в миграции радионуклидов и т.п. (Суркова Л.В., Погодин Р.И., Санжарова Н.И., Фесенко СВ., Круглов СВ., Иванов Ю.А., Архипов А.Н. и др.).

В последние годы сформировались новые подходы к описанию процессов сорбции и фиксации радионуклидов в почвах. В работах А. Кремерса впервые определены параметры, характеризующие способность почв селективно сорбировать l37Cs. Проведены работы по изучению роли корневой системы - в процессе поступления l37Cs в растения (Smolders etal., 1997; Соколик А.И., 1997 и др.).

Загрязнение сельскохозяйственных угодий 90Sr и I37Cs, обусловленное авариями на радиационно-опасных объектах, до настоящего времени представляет собой актуальную практическую проблему. Одним из важных аспектов этой проблемы является разработка защитных мероприятий, направленных на снижение уровней загрязнения сельскохозяйственной продукции. Среди приемов реабилитации загрязненных территорий важное место занимает применение агромелиорантов, которые обеспечивают снижение темпов миграции радионуклидов в сельскохозяйственных цепочках. Однако, определение оптимальных доз применения химических средств требует знания механизмов их влияния на биологическую подвижность радионуклидов. В последние годы разрабатываются методические подходы для оценки эффективности применения агромелиорантов, которые учитывают такие факторы, как изменение состава почвенного раствора, подвижности радионуклидов в почве, изменение прочности сорбции и фиксации радионуклидов и т.п. Предложены статическая и динамическая модели для прогнозирования эффективности применения агромелиорантов по снижению накопления радионуклидов лесными растениями (Коноплева И.В., Спиридонов СИ.). Однако, эти методические подходы до настоящего времени практически не применялись для изучения модифицирующего действия агромелиорантов на поведение 90Sr и 137Cs в

агроэкосистемах.

Изучение механизмов биологической доступности радионуклидов, разработка теоретических основ их поведения в экосистемах, оптимизация применения агромелиорантов на основании изучения механизмов их действия на подвижность радионуклидов являются актуальными направлениями исследований в современной

РОС. НАЦИОНАЛЬНАЯ) БИБЛИОТЕКА [ СП«тер4»г йЫ О» Wfva/illl

радиоэкологии, которые имеют практическое значение для прогнозирования и оценки реальной опасности радиоактивного загрязнения окружающей среды для человека.

Цель исследования: идентификация и описание основных процессов, определяющих биологическую подвижность 90Sr и 137Cs в почвах различных типов, и выявление механизмов действия агромелиорантов на поведение радионуклидов в системе почва-растение.

Задачи исследования:

- разработать методологический подход к описанию поведения радионуклидов в системе почва-растение;

- разработать статическую модель, описывающую поведение радионуклидов в системе почва-растение;

определить параметры подвижности 90Sr (формы 90Sr в почве; коэффициент селективности пары 90Sr-Ca (K^Sr/Ca); коэффициент накопления 90Sr сельскохозяйственными растениями) для почв различных типов; определить параметры подвижности 137Cs (формы ,37Cs в почве; потенциал селективной сорбции 137Cs (RIP); концентрационный фактор (CF); коэффициент распределения 137Cs между твердой и жидкой фазами почвы; коэффициент накопления 137Cs сельскохозяйственными растениями) для почв различных типов;

исследовать зависимость показателей подвижности90Sr и l37Cs от свойств почв;

90с 137,-.

- изучить механизмы действия агромелиорантов на подвижность в дерново-подзолистой песчаной почве;

- разработать комплексный параметр биологической доступности радионуклидов, учитывающий влияние различных физико-химических свойств почв;

- оценить возможность применения комплексного параметра биологической доступности радионуклидов для определения эффективности применения агромелиорантов.

Научная новизна работы: Впервые для описания подвижности 90Sr в системе

почва-растение предложен и количественно оценен параметр биологической 90с _

доступности в почвах, рассчитываемый на основе почвенных характеристик и показателей подвижности: содержание обменного кальция, доля обменной формы коэффициент селективности ионного обмена Ca, Кс ( Sr/Ca) в почве.

Получены прогностические уравнения для оценки коэффициентов накопления 90Sr сельскохозяйственными растениями на основе параметра биологической доступности. Впервые получены значения коэффициентов селективности ионного обмена для 10-ти основных типов почв Европейской части РФ.

Выявлена зависимость коэффициента селективности от соотношения содержания гумуса к содержанию илистой фракции в почве.

Для описания миграции 137Cs в системе почва-растение предложено использовать параметр биологической доступности 137Cs, представляющий собой комбинацию свойств почв и показателей подвижности: содержание обменного 137Cs, катионный состав почвенного раствора, потенциал селективной сорбции Определены значения концентрационного фактора для почв различных типов, зависящие от концентрации К* в почвенном растворе

Впервые определены значения потенциала селективной сорбции l37Cs для 10-ти основных типов почв Европейской части РФ. Выявлены корреляционные зависимости между содержанием илистой фракции в почвах и величиной потенциала селективной сорбции l:57Cs.

Показано, что при применении агромелиорантов снижаются показатели подвижности '"Бг и 137Св. Установлено, что внесение калийных удобрений приводит к увеличению потенциала селективной сорбции 137Сз. Показана возможность применения комплексных параметров биологической доступности радионуклидов для оценки эффективности применения агромелиорантов.

Теоретическая и практическая значимость работы: Предложен методологический подход для описания механизмов поведения радионуклидов в системе почва-растение, учитывающий процессы сорбции и фиксации, протекающие в системе почвенный поглощающий комплекс - почвенный раствор, и процессы поглощения радионуклидов корневыми системами из почвенного раствора. На основе методологического подхода предложены математические модели миграции радионуклидов в системе почва-растение.

Определены количественные параметры подвижности ,05г и 137Сб для основных почв Европейской части России, которые могут быть использованы для оценки и прогнозирования радиологической ситуации на загрязненных территориях. Оценены комплексные параметры биологической доступности 905г и 137С5, которые могут быть использованы для прогнозирования эффективности применения агромелиорантов с целью снижения накопления радионуклидов в сельскохозяйственных растениях.

Предложена модификация метода определения вермикулита в почве.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Методологический подход к описанию перехода '"Бг и '"Сб из почвы в растения, учитывающий процессы сорбции и фиксации, протекающие в системе почвенный поглощающий комплекс - почвенный раствор, и процессы поглощения радионуклидов корневыми системами из почвенного раствора.

2. Статические математические модели, описывающие поведение '"Бг и 137Сз в системе почва-растение.

3. Комплекс количественных показателей, описывающих биологическую подвижность 137Сб и "Бг в почвах различных типов.

4. Прогностические уравнения для расчета коэффициентов накопления и

в сельскохозяйственных растениях на основе параметра биологической

доступности радионуклидов в почве.

5. Описание механизмов действия агромелиорантов на биологическую подвижность радионуклидов.

Апробация работы: Основные положения и результаты исследования докладывались и обсуждались на: XXXII и XXXIII объединенных съездах Европейского общества по применению ядерных методов в сельском хозяйстве (ESNA) и международного союза радиоэкологов (IUR) в Варшаве (Польша), Витербо (Италия), 2002, 2003; 3-ем съезде по радиационным исследованиям, Киев (Украина), 2003; 7-ой Пущинской школы-конференции молодых ученых "Биология - наука XXI века", Пущино, 2003; 7-ой международной конференции "Биогеохимия меченых элементов", Упсала (Швеция), 2003; X международной конференции молодых ученых "Ломоносов", Москва, 2003.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 10 работ.

Структура и объем диссертации. Диссертация изложена на 136 страницах текста, включает введение, заключение, выводы, б глав, 37 таблиц, 15 рисунков и список литературы включает публикаций из 132 наименований.

МЕТОДОЛОГИЧЕСКИЙ ПОДХОД К ОПИСАНИЮ ПРОЦЕССА ПОСТУПЛЕНИЯ 137Сз И '"Бг ИЗ ПОЧВЫ В РАСТЕНИЕ

Переход любого элемента из почвы в растение является результатом физико-химических процессов, протекающих в почве и на границе почва-корень. Концептуальная схема перехода 905г и 137Сз из почвы в растение включает 3 компартмента: твердая фаза почвы, почвенный раствор и корень растения. Ионный обмен между твердой и жидкой фазами почв является почвенно-химическим процессом. Корневое поглощение радионуклидов из почвенного раствора (процесс ионного поглощения клетками корня и перемещение в надземные части) является процессом, контролируемым физиологией растения.

Рис 1. Концептуальная схема процессов, определяющих переход радионуклидов из почвы в растение

Сорбция 905г происходит путем неселективного ионного обмена на почвенном

поглощающем комплексе. Стронций абсорбируется транспортными системами его

макроаналога Са. Транспорт Са осуществляется преимущественно в апопласте путем

свободной диффузии, ускоряемой транспирацией, в объеме клеточной стенки, где

часть ионов находится в растворе, идентичном внешнему почвенному раствору, а

часть связывается фиксированными заряженными центрами в клеточной стенке,

совокупность которых можно определить как корневой обменный комплекс (КОК).

Согласно данному методологическому подходу была разработана статическая

модель, описывающая подвижность '"Бг в системе почва-растение. В основе модели

90г...

лежит предположение о том, что в почвенном растворе находится в

динамическом равновесии с двумя ионообменниками - почвой и поверхностью корня. Для 905г основным катионом почвенного раствора, конкурирующим за места на КОК, является Са2+. Коэффициент накоплен «я в растении является линейной функцией параметра биологической доступности:

КН = В • А, (1)

где В - коэффициент пропорциональности, характеризующий биологические особенности растения; А - параметр биологической доступности который являющийся комбинированной характеристикой почвы:

А = "обч

ипк г

с8г!Са обм

где Ообм - доля обменной фор м8п в почве, характеризующая фиксирующую

способность почвы; Кс ^Бг/Са - коэффициент селективности обмена пары ^08г-Са; Саобм — содержание обменного Са в почве.

Коэффициент селективности обмена 905г-Са в почве рассчитывали по уравнению:

Kc(Sr/Cd) =

(3)

где Са„бм и [Са]пр - молярные концентрации обменного Са в почве и Са в почвенном растворе (моль/кг и моль/л, соответственно); 8г0ем и [$г]пр - удельные активности обменного 8г и 8г в почвенном растворе (кБк/кг и кБк/л, соответственно).

Коэффициент селективности характеризует распределение двух конкурирующих катионов между обменными участками и раствором в почвенной системе.

Особенность процесса сорбции 137Сз почвами состоит в том, что селективно сорбируются на сорбционных центрах, расположенных на краевых концах выветренных глинистых минералов и существенно различающихся по прочности связи. Корневое поглощение 137сз из почвенного раствора контролируется физиологией растения. Процесс ионного поглощения играет особую роль во всем процессе перехода из почвы в растение. не является минеральным

элементом питания для растения, но он может быть абсорбирован транспортными системами его макроаналога К*. Высокие концентрации ионов К* эффективно снижают возможность поглощения через калиевые каналы или посредством переносчиков, расположенных в мембране корневой клетки. Таким образом, поведение 137Сз в системе почва-растение контролируется двумя факторами: подвижностью радионуклида в почве и концентрацией К* в почвенном растворе.

Переход

Cs из почвы в растение может быть описан двумя

последовательными процессами: «37,

'Cs

почва ^

KD

Cs

лочвенкыв раствор

<-> 137Cs

растение

CF

. 13V

Первая система представляет собой равновесие между почвенном поглощающем комплексе, и 137Сз почвенного

сорбированным на раствора, которое

описывается коэффициентом распределения между твердой и жидкой фазами почв

/V \ г._______________________________________ 137____________________

(Kd). Второй процесс представляет собой поглощение Cs из почвенного раствора корнем растения и описывается концентрационным фактором (CF). Величина CF зависит от концентрации К* в почвенном растворе, особенно в интервале концентраций между 10 цМ и 250 (iM (Smolders el ai, 1996). В работе (Waegeneers et al. 2001) на основе регрессионной модели рассчитаны параметры для построения зависимости CF от концентрации калия в почвенном растворе для разных видов культур. Данная модель представлена зависимостью:

log CF = bo + exp(bj log[KJ), (4)

где [К] - концентрация К* в почвенном растворе, шМ/л; коэффициенты bo, bj характеризуют биологические особенности растения.

В свете описанных представлений была использована статическая (равновесная) модель перехода Cs из почвы в растение: КН = CF/Kq. Согласно модели, при равновесных условиях коэффициент накопления l37Cs в растении

является линейной функцией взаимосвязи параметра биологической доступности |37Сб (А) в почве и параметра, характеризующего биологическую особенность растения:

КН = к(А • СР),

(5)

в почвах:

(6)

где к — эмпирический коэффициент пропорциональности; СР- концентрационный фактор который описывает поглощение Се из почвенного раствора корнем растения и определяется концентрацией К+ в почвенном растворе и видом растения; А - параметр биологической доступности, который включает в себя физико-химические свойства почв и параметры подвижности

ШР(К)

где а — доля обменной ф о

р'йсы

в почве и характеризует фиксирующую способность почвы; ЫР(К) - потенциал селективной сорбции 137Сз, характеризующий способность почвы селективно и обратимо сорбировать '''Се; [К* ]-концентрация в почвенном растворе.

ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

С целью изучения механизмов поведения радионуклидов в системе почва-растение был поставлен ряд модельных экспериментов с внесением радионуклидов в почвы различных типов. Исследования проводились на 10-ти пахотных окультуренных почвах, типичных для Европейской части России.

Дерново-подзолистая песчаная и низинная торфяная почвы были отобраны в Брянской области; светло-серая лесная почва - в Волховском районе Орловской области; типичный и обычный черноземы - в Воронежской области; оподзоленный чернозем, выщелоченный чернозем и лугово-черноземная почва - в Курской области, выщелоченный чернозем - в Тульской области; каштановая почва - в Ростовской области. Образцы почв отбирались из верхних пахотных горизонтов на глубину до 20 см. Агрохимический анализ почв проводили по стандартным методикам (Аринушкина, 1970).

Таблица 1. Физико-химические характеристики исследуемых почв

Тип (подтип) почвы рНка Содержа ние илистои фракции, % Содержание обменных катионов Нг ЕКО

О >» К' Саг* Мд"

£ мг-экв/100 г

Дерново-подзолистая 5,8 1,8 3,6 0,37 4,8 1,3 2,96 9,4

Светло-серая лесная 5,4 0,6 14,0 0,45 5,2 1,2 2,30 ^,2

Выщелоченный чернозем, Курская обл. 5,5 2.1 18,5 0,51 23,3 3,7 4,85 32,4

Выщелоченный чернозем, Тульская обл 5,6 1,6 18,9 0,37 22,5 4,2 2,88 30,0

Оподзоленный чернозем 6,9 1,6 21,2 0,46 28,7 2,0 0,64 31,8

Обыкновенный чернозем 6,0 2,8 29,6 0,66 26,6 5,4 3,53 36,2

Типичный чернозем 6,2 2,8 35,9 0,76 28,4 4,7 2,96 36,8

Лугово-черноземная 7,0 1,4 28,2 1,07 23,7 4,2 0,82 29,8

Каштановая 7,4 1,8 30,7 1,04 24,9 6,2 0,29 32,4

Низинный торфяник 5,5 25,2 - 0,59 40,5 2,4 73,3 116,8

Методы проведения исследований

Модельный эксперимент с 14-дневным проростками. Для изучения поведения 90Sr и I37Cs в системе почва-растение использовался метод 14-дневных проростков. Радионуклиды были внесены в воздушно-сухую почву в виде раствора солей CsCl и SrCb- Затем почву помешали в сосуды. Удельная активность Sr в почве составляла около 100, а 137Cs ~ 1000 кБк/кг сухого веса. Для имитации естественных условий увлажнения и высыхания почв проводилось их периодическое увлажнение до 60% ППВ и последующее высушивание. Опытные культуры - ячмень (сорт Зазерский 85) и люпин. Проросшие семена высевались из расчета 10-15 проростков на сосуд. Влажность почвы поддерживалась на уровне 60% ППВ. Повторность опытов 4-х кратная. Через 14 сут. растения срезались на высоте 0.5 см, обмывались подкисленной водой, высушивались при температуре 105°С и размалывались.

Определение форм нахождения радионуклидов в почве. Для определения форм нахождения радионуклидов в почвах использовали метод последовательной экстракции (Павлоцкая,1974). В вытяжках измеряли также содержание обменных ионов Ca¿\ Mg¿\ К методом атомно-абсорбционной спектрофотометрии. Обменный измеряли в вытяжке Ш КС1 колориметрическим методом (Krom, 1980).

Определение концентрации катионов в почвенном растворе. Для выделения почвенного раствора образцы почв доводились до 60% ППВ, выдерживались в течение суток в эксикаторе с водой для установления равновесия, затем центрифугировались. В выделенном растворе измерялись концентрации катионов методом атомно-абсорбционной спектрофотометрии. Концентрацию NH4+ в почвенном растворе измеряли на основе индофеноловой реакции колориметрическим методом (Krom, 1980).

Определение потеницала селективной сорбциш l37Cs в почвах (RIP). Для изучения подвижности l37Cs используются показатели селективной сорбции почвы: емкость селективных сорбционных мест (Frayed Edge Sites, FES) и потенциал селективной сорбции (Radiocaesium Interception Potential, RIP). Для определения емкости FES применялся метод, разработанный Wauters J. с сотрудниками (1996) и основанный на изучении изотермы сорбции l37Cs при блокировании (маскировке) поверхностных сорбционных центров RES (Regular Exchange Sites). Для маскировки RES используется раствор К-Са PAR 0,05: Са = 100тМ, К = 0,5 тМ. Образец почвы уравновешивается с раствором содержащим К и Са с концентрациями 0,5 гаМ и 100 тМ, соответственно (PAR=0,05). После 3-х кратного насыщения и центрифугирования в течение 2-х суток образцы почвы уравновешиваются с раствором K-Ca (PAR=0,05) в присутствии 137Cs. Взвеси встряхивают на протяжении 24 час, центрифугируют и определяют значение Kd посредством измерения активности в супернантанте. Результаты представляются в виде зависимости

[Kd- шк] по отношению к mlí и значения плато идентифицируются как RIP(K).

Методы определения содержания радионуклидов. Определение удельной

активности в образцах почв, почвенных вытяжках и растениях проводили у-

спектрометрическим методом на многоканальных анализаторах IN 1200 с

германиевым детектором. Определение активности в пробах почв и растений

проводили на радиометрической установке Nuclear-Chicago. В полевом эксперименте 90с

содержание Ьг в почве, вытяжках и растениях определяли радиохимическим методом путем разделения дочернего изотопа 90Y и 90Sr. После накопления 90У по его

90с

активности определяли содержания ' Sr в пробе (ЦИНАО, 1985). Определение активности 90Y в пробах проводили на радиометрической установке Canberra.

Модификация метода определения содержания вермикулита в почве. Предложена модификация метода определения вермикулита в почве основанная на фиксации ионов 37Cs*. В основу метода было положено свойство вермикулита фиксировать ионы Cs*. После нагревания при 110°С образца обменный цезий замещался на ионы NH4*, остающийся фиксированный 137Cs* определялся у-спектрометрическим методом. Разделение фаз проводили методом центрифугирования (14000g). Содержание вермикулита (г/кг) рассчитывали из отношения количества фиксированного Cs (мг-экв/100 г) к емкости катионного обмена вермикулита (154 мг-экв/100 г): Вермикулит (г/кг) = [Cs],j,bicc/0,154.

Минералогический состав илистой фракции почв определен методом рентгеноструктурного анализа.

90 г

Полевые опыты по изучению влияния агромелиорантов на переход Sru Cs в

90 г.

сельскохозяйственные растения Для изучения биологической подвижности * Бг и *37Сб после применения агромелиорантов были использованы опыты Новозыбковской сельскохозяйственной опытной станции ВИУА (Брянская область), территория которой попала в зону загрязнения в результате аварии на ЧАЭС.

Опыт 1. Для изучения действия минеральных, органических удобрений и известкования на биологическую подвижность 905г в системе почва-растение был использован многофакторный опыт. Почва экспериментального участка - дерново-подзолистая песчаная (рН^л. - 6.01; содержание гумуса (по Тюрину) - 1,88%; содержание обменных катионов К, Са, Мк - 0,46; 3,72; 0,56 мг-экв/100 г, соответственно; емкость катионного обмена - 4,74 мг-экв/100 г).

Плотность загрязнения почвы по '"Бг составляла 12,5 кБк/м2.

Опытная культура - овёс сорт «Скакун».

В опыте оценивалось действие минеральных удобрений и последействие -органических удобрений и известкования. В 1999 г. при закладке эксперимента была внесена доломитовая мука в 3-х дозах согласно схеме эксперимента (схема 1). В 2000 г. под картофель были внесены органические удобрения - соломенный подстилочный навоз (схема 1). В 2001 г. под овес вносили минеральные удобрения - аммиачную селитру, двойной суперфосфат, хлористый калий (схема 2). Повторность опыта 2-х кратная. Варианты размещались по методу квазилатинского квадрата, который содержит 8 вертикальных и 8 горизонтальных блоков. Размер делянок составлял 8x8

= 64 мг, учетная площадь 25-40 м5. Отбор проб почв и растений был проведен с 8 вариантов опыта с различными дозами внесения агромелиорантов. Схема 1 Схема 2

Доза 0. Контроль (без удобрений) Доза 0. Контроль

Доза 1. N« Кео + Доломитовая мука 3 т/га + навоз 30 т/га. Доза 1. N30 Р20К30

Доза 2. N8o К,го + Доломитовая мука 6 т/га + навоз 60 т/га. Доза 2. N60 Р<0Кбо Доза 3 N90 Kieo + Доломитовая мука 9 т/га + + навоз 90 т/га. Доза 3. NM Ри Км

Опыт 2. Изучено влияние различных доз калийных удобрений при постоянном фоне фосфорно-азотных удобрений на биологическую доступность l37Cs.

Почва экспериментального участка - дерново-подзолистая песчаная (рН^л -5,5-5,9; содержание гумуса - 1,1-1,4%; содержание обменных катионов К, Са, Mg -0,10; 1,6; 0,12 мг-экв/100 г, соответственно; гидролитическая кислотность - 2,82 мг-

экв/100 г; емкость катионного обмена - 4,74 мг-экв/100 г). Возрастающие дозы калийных удобрений (90, 120, 150 и 180 кг/га) вносились на постоянном фоне фосфорно-азотных удобрений - N90P60 (схема 3).

Посевная площадь делянок - 70 м\ учетная - 52 м2, повторность опыта 4-х кратная.

Опытная культура - озимая рожь. Плотность загрязнения 37Cs почвы 660-880 кБк/м2.

_Схема 3_

___ Вариант ___

Контроль | NmPco I NaoPeoKeo I N90P60K90 1 N90P60K120 | NsmPeoKiso | N^PeoKiso

ИССЛЕДОВАНИЕ БИОЛОГИЧЕСКОЙ ПОДВИЖНОСТИ 90Sr В СИСТЕМЕ ПОЧВА-РАСТЕНИЕ

В условиях модельного лабораторного эксперимента были определены количественные параметры биологической подвижности 90Sr в почвах различных типов и оценена роль факторов, влияющих на процессы сорбции радионуклида.

Влияние свойств почв на переход ""Sr в растения. Изучение накопления 90Sr в 14-ти дневных проростках ячменя и люпина показало, что коэффициенты накопления (КН) различаются в 9,6 и 6,6 раза, соответственно. Высокие КН наблюдались на дерново-подзолистой почве, характеризующейся наименьшим содержанием илистой фракции и наименьшей емкостью катионного обмена, а также на светло-серой лесной почве, практически схожей по физико-химическим почвенным характеристикам с дерново-подзолистой почвой. Более низкие КН были найдены для почв, отличающихся высокой емкостью поглощения: для органической торфяной почвы и для типичного и обычного черноземов.

Корреляционный анализ данных выявил достоверную обратную корреляцию между КН и содержанием илистой фракции в почве, а также между КН и содержанием обменного Са. Тесная связь между КН позволяет

утверждать, что ведущим признаком, определяющим различие в биологической доступности 90Sr на различных типах почв, является содержание обменного Са. Высокая вариабельность данного почвенного параметра в значительной степени определяет различие в КН! 90Sr растениями из почв различных типов.

Таблица 2. КН ®°5г в проростках ячменя и люпина на разных типах почв

Тип (подтип) почвы КН

ячмень люпин

Дерново-подзолистая 4,81 ±0,49 3,43 ± 0,84

Светло-серая лесная 4,05 ± 0,39 2,73 ± 0,67

Выщелоченный чернозем Курская обл. 1,08 + 0,09 0,77 ±0,15

Выщелоченный чернозем Тульская обл. 1,14 ±0,50 0,78 + 0,16

Оподзоленный чернозем 1,06 + 0,09 0,74 +0,06

Обыкновенный чернозем 0,50 ±0,01 0,52 + 0,04

Типичный чернозем 0,67± 0,02 0,60 ± 0,06

Лугово-черноземная 0,88 ±0,04 0,84 + 0,04

Каштановая 0,83 + 0,07 0,73+0,02

Низинный торфяник 0,99 ±0,04 0,53 ±0,12

Анализ данных не выявил значимой корреляционной связи между КН и другими почвенными характеристиками: содержание гумуса, рН почвы, емкость катионного обмена.

Таблица 3. Зависимость КН ^Бг в проростках ячменя и люпина от почвенных характеристик

Почвенные характеристики. Коэффициент корреляции, ( г)

ячмень люпин

КН 1 1

рНка -0,389 -0,389

Содержание гумуса, % -0,187 -0,250

Содержание илистой фракции < 0,001 мм -0,852 -0,829

Содержание обменного Са^*, мг-экв/1 ООг -0,867 -0,898

ЕКО, мг-экв/кг -0,459 -0,524

ол

Накопление Бг в растениях зависит от их биологических особенностей. При проведении модельного опыта, учитывая "кальциефильность" семейства бобовых, ожидались более высокие значения КН 908г для люпина по сравнению с представителем семейства злаковых - ячменем. Однако, КН ^Бг в фазе проростков оказалась у ячменя близкими или выше, чем у люпина. Наблюдаемая «аномалия» в поглощении 908г может быть следствием изменения потребности растения в минеральных элементах на начальных этапах развития, так как в эту фазу роста большое значение имеет запас различных ионов в семени. Наблюдаемый эффект также может быть объяснен тем, что на ранних стадиях развития, когда запас в семени и транспирация не обеспечивают поступления достаточного количества Са в проросток ячменя, к пассивному поглощению может быть подключен механизм активного транспорта с более высокой избирательностью поглощения 8г по сравнению с Са (С1агкжт, 1984).

Оценка показателей подвижности "бг в почвах различных типов. Анализ

90с.

полученных данных показал, что аг находится в почвах преимущественно в обменном состоянии. Доля обменной формы 905г для разных типов почв варьировала в пределах от 0,6 до 0,9. Максимальное содержание обменной формы ^Бг наблюдалось для дерново-подзолистой почвы, характеризующейся низким содержанием гумуса и низкой емкостью катионного обмена. Минимальное содержание обменной формы отмечено в почвах черноземного ряда (лугово-черноземная; обыкновенный, типичный и выщелоченный черноземы), которые отличаются высокой поглотительной способностью и высоким содержанием гумуса и обменного кальция.

Таблица 4. Показатели подвижности ^Эг в почвах различных типов

Тип (подтип) почвы Доля обменной формы '"Бг (а0бм) КсГЭг/Са)

Дерново-подзолистая 0,93 + 0,07 2,5 + 0,5

Светло-серая лесная 0,76 + 0,09 1,5 ±0,2

Выщелоченный чернозем Курская обл. 0,66 + 0,06 2,0 + 0,1

Выщелоченный чернозем Тульская обл. 0,73 ±0,10 2,1± 0,3

Оподзоленный чернозем 0,82 + 0,11 1,3 ±0,1

Обыкновенный чернозем 0,68 + 0,01 1,8 + 0,1

Типичный чернозем 0,69 ± 0,02 1,9 ±0,2

Лугово-черноземная 0,64 + 0,02 1,4 ± 0,1

Каштановая 0,76 + 0,09 1,7 ±0,5

Низинный торфяник 0,79 + 0,01 1,1 ±0,3

Для оценки распределения конкурирующих катионов 905г и Са между обменными участками почвы и почвенным раствором использовался коэффициент

селективности. Анализ полученных данных показал, что его величина варьирует для почв различных типов, вследствие различной природы обменных участков, которая сказывается на относительной адсорбции этих двух катионов. Значения Кс г/Са) для изучаемых минеральных почв варьировали в пределах от 13 до 2.5, а для торфяной почвы был минимальным -1,1.

Корреляционный анализ данных выявил достоверную обратную корреляцию между долей обменной формы 905г и содержанием илистой фракции почвы (р<0,05) и не обнаружил значимых корреляционных связей с другими почвенными характеристиками.

Таблица 5. Зависимость содержания обменной формы м5г от свойств почв

Почвенные характеристики . Коэффициент корреляции, (г)

Доля обменной формы "Бг, (аобм) 1

рНка -0,086

Содержание гумуса, % 0,154

Содержание илистой фракции < 0,001 мм -0,694

Содержание обменного Са^*, мг-экв/100г -0,359

ЕКО, мг-экв/ЮОг -0,045

Содержание обменной формы '05г в почвах определяет накопление радионуклида в растениях. Установлена достоверная прямая корреляция между КН

и долей обменной формы радионуклида в почве люпин; р<0,05).

Анализ экспериментальных данных выявил положительную связь величины Кс (905г/Са) с соотношением содержания гумуса и илистой фракции в почве, что свидетельствует о предпочтительной адсорбции по сравнению с Са на органической составляющей почвенного поглощающего комплекса (рис. 2). Для минеральной фракции изучаемых почв избирательная сорбция 5г по отношению к Са менее выражена, так как при отсутствии органического вещества (отношение гумуса к илистой фракции равно 0) величина Кс (908г/Са) близка к 1. Пологий участок на кривои зависимости КсС^/Сг) от отношения гумус/илистая фракция демонстрирует слабую связь от содержания гумуса в почвах с низким содержанием

глинистых минералов, какой является, например, дерново-подзолистая почва. Напротив, наибольший отклик на изменение Кс ГБг/Са) при изменении отношения гумус/илистая фракция отмечается для почв черноземного ряда с высоким содержанием тонкодисперсной фракции.

1 -,-,-.-,-,-

0.0 0.1 0.2 0.3 04 0.5 06

гумус I илисты фр»п*я

Рис 2. Зависимость коэффициента селективности обмена 90 Sr- Са от соотношения содержания гумуса и илистой фракции почв

На основе полученных данных по характеристикам почв, определяющих 90 п

доступность Бг в системе почва-растение, для каждого типа почв рассчитывался параметр биологической доступности. 90Бг (А). Данный параметр является комбинированной характеристикой почвы, отражающий подвижность 90бг в почве.

Таблица 6. Параметр биологической доступности ^вгдля разных типов почв

Тип (подтип) почвы А -10"

Дерново-подзолистая 8,1

Светло-серая лесная 10,4

Выщелоченный чернозем Курская обл. 1,5

Выщелоченный чернозем Тульская обл. 1,3

Оподзоленный чернозем 1,9

Обыкновенный чернозем 1,3

Типичный чернозем 1,3

Лугово-черноземная 2,2

Каштановая 1,9

Низинный торфяник 1,6

Анализ данных показывает, что значения параметра биологической доступности ^Бг для исследуемых почв различались в достаточно широком диапазоне - от 1,3 до 10,4. Максимальными значениями параметра А отличались светло-серая лесная и дерново-подзолистая почвы, что свидетельствует о высокой подвижности 90Бг в данных почвах. Относительно низкой подвижностью 90Бг характеризовались почвы черноземного ряда, а также каштановая почва, которые отличались невысокими значениями параметра биологической доступности 90Бг -значения параметра варьировали в пределах от 1,3 до 2,2. Низким значением параметра биологической доступности Бг характеризовалась торфяная почва (1.6), что отражает относительно низкую подвижность радионуклида в почве.

Согласно теоретическому предположению о том, что коэффициент накопления 90Бг в растении является линейной функцией параметра биологической доступности 90Бг (А) был проведен анализ зависимости данных показателей (рис.3). Коэффициент В определяет угол наклона прямой уравнения линейной регрессии и измеряется эмпирически. В = 548±51 для 14-ти дневных проростков ячменя; В = 415±30 для 14-ти дневных проростков люпина.

о

= 0,8838 1// о

= 0,8924

Чэч

0,000 0.002 0.004 0,006 0,008 0,010 0,012 А, кг/мг-э кв

Рис. 3. Зависимость КН 90Бг в проростках от параметра биологической доступности (А)

1- ячмень; 2 - люпин

ИССЛЕДОВАНИЕ БИОЛОГИЧЕСКОЙ ПОДВИЖНОСТИ 137Cs В СИСТЕМЕ ПОЧВА-РАСТЕНИЕ

l37Cs относится к элементам с необменным типом поведения и характеризуется

высокой степенью фиксации в почвах. Основными факторами, влияющими на его

подвижность, являются: минералогический состав почв, емкость ППК и содержание в

почвенном растворе К* — химического аналога 137Cs.

Для оценки биологической подвижности 137Cs используют различные

показатели: коэффициент накопления (КН), как интегральный показатель перехода

137Cs из почвы в растение; формы нахождения 137Cs в почвах; показатель селективной

сорбции l37Cs почвами (RIP); коэффициент распределения 137Cs (Ко) в системе почва-

почвенный раствор; концентрационный фактор (CF) — показатель распределения 137Cs

в системе почвенный раствор-растение.

Влияние свойств почв на переход ,37Cs в растения. Изучение поведения в

системе почва-растение в модельном опыте с 14-ти дневными проростками ячменя 13Vv

показало, что накопление растениями существенно различалось в зависимости

от типа почвы. Максимум накопления 137Cs наблюдался на низинном торфянике и дерново-подзолистой почве. Минимальные значения КН наблюдались на черноземах (типичный и обыкновенный) и каштановой почве. В результате корреляционного анализа была выявлена достоверная обратная корреляция между КН и такими почвенными характеристиками как: содержание илистой фракции почвы и содержанием вермикулита. Достоверная прямая корреляционная связь была выявлена между КН и содержанием в почвенном растворе.

Таблица 8. Анализ зависимости КН '"Сэ в проростках ячменя от почвенных характеристик

Почвенные характеристики Коэффициент корреляции (г)

КН 1

рНка -0,539

Содержание гумуса, % 0,621

Содержание илистой фракции < 0,001 мм -0,857

Содержание вермикулита, г/кг -0,683

Содержание обменного Ю, мг-экв/100г -0,427

Содержание обменного мг-экв/100г -0,210

Концентрация К* в почвенном растворе, тМ/л 0,819

ЕКО, мг-экв/100г 0,372

Характеристика показателей подвижности в почвах различных

типов Анализ экспериментальных данных выявил высокую вариабельность значений доли обменной формы '"Сб в зависимости от типа почвы. Доля обменной формы 117С5 изменялась в пределах от 0,09 (обыкновенный чернозем) до 0,41 (дерново-подзолистая песчаная почва)

Таблица 7. Коэффициенты накопления ,37Cs проростками ячменя

Тип (подтип) почвы КН

Дерново-подзолистая 0,708

Светло-серая лесная 0,430

Выщелоченный чернозем Курская обл. 0,107

Выщелоченный чернозем Тульская обл. 0,069

Олодзоленный чернозем 0,039

Обыкновенный чернозем 0,028

Типичный чернозем 0,029

Лугово-черноземная 0,033

Каштановая 0,028

Низинный торфяник 0,778

Таблица 9. Показатели подвижности "'Се в исследуемых почвах

Тип (подтип) почвы Доля обменной RlP(K),

формы "'Се, (а) мг-экв/кг

Дерново-подзолистая 0,41 ±0,10 442

Светло-серая лесная 0,27 ± 0,07 1377

Выщелоченный чернозем Курская обл. 0,14 ± 0,04 2200

Выщелоченный чернозем Тульская обл. 0,10 ± 0,03 1900

Оподзоленный чернозем 0,12 ± 0,03 2519

Обыкновенный чернозем 0,09 ± 0,03 2700

Типичный чернозем 0,10 ±0,02 2709

Лугово-черноземная 0,17 ±0,08 3464

Каштановая 0,16 ±0,03 3243

Низинный торфяник 0,18 ±0,02 211

Полученные результаты показывают, что подзолистые почвы характеризуются более низкой сорбционной и фиксирующей способностью по отношению к |37Сз. Почвы тяжелого гранулометрического состава, наоборот, отличаются более низким содержанием обменной формы 137С$, а, соответственно, высокой сорбцией и фиксацией радионуклида.

При проведении корреляционного анализа была выявлена достоверная обратная корреляция между долей обменной формы ,37Сб и следующими свойствами почв: содержание илистой фракции, вермикулита и обменного Са2+, а также прямая корреляция с концентрацией К* в почвенном растворе.

Установлена прямая корреляционную связь между содержанием обменной формы 137Сб и коэффициентами накопления 137Сз проростками ячменя (г = 0,743; р<0,05).

Таблица 10. Анализ зависимости доли обменной формы "7Сз от почвенных характеристик.

Почвенные характеристики Коэффициент корреляции ( г )

Доля обменной формы "'Се, а 1

рНка -0,091

Содержание гумуса, % -0,571

Содержание илистой фракции < 0,001 мм -0,684

Содержание вермикулита, г/кг -0,877

Содержание обменного К*, мг-экв/100г -0,092

Содержание обменного Са'*, мг-экв/ЮОг -0,688

Концентрация К* в почвенном растворе, тМ 0,701

ЕКО, мг-экв/кг 0,299

Известно, что величину обменной формы используют в радиоэкологии при моделировании процессов миграции 137Сб в почвах. Из многообразия минералов, преобладающих во многих зональных почвах России, наибольшей способностью к фиксации одновалентных ионов Сб* и К+ обладает вермикулит. Проведено сравнение величин доли фиксированной формы 137Сз (1-а) и содержания вермикулита в почве, определенного методом фиксации 137С$ (рис. 4). В результате анализа была выявлена тесная зависимость между данными величинами (г=0,851; р<0,01), что позволяет говорить о возможности использования содержания вермикулита в почвах для оценки потенциальной фиксирующей способности почв по отношению к одновалентным катионам

Рис. 4. Зависимость доли фиксированной формы '"Сэ (1-а)

от содержания вермикулита в почве

Для каждого типа изучаемых почв определены значения потенциала селективной сорбции RIP(K). Значения потенциала селективной сорбции RIP(K) различались в широком диапазоне: от 211 мг-экв/кг (низинный торфяник) до 3464 мг-экв/кг (лугово-черноземная). Полученные результаты показывают, что почвы тяжелого гранулометрического состава (по сравнению с почвами легкого механического состава) характеризуются более высокими значениями потенциала селективной сорбции l31Cs. Величина RIP является производной от емкости FES, характеризующей количество селективных сорбционных обменных мест в решетке минералов типа 2:1. В работе проводилось сравнение величин RIP(K), измеренных в образцах исследуемых почв, с содержанием в них илистой фракции (<0,001мм). Анализ данных выявил тесную линейную зависимость между значениями ШР(К) и относительным содержанием в почве илистой фракции

Для определения RIP(K) используют длительную и трудоемкую методику, занимающую несколько дней. Предложенная регрессионная модель может быть использована как экспресс-метод оценки величины RIP на основе почвенной характеристики (содержания илистой фракции) доступной из справочной литературы.

Катионный состав почвенного раствора и его влияние на параметры подвижности I37Cs в системе почва-растение. l37Cs* в почвенном растворе находится в равновесии с двумя ионообменниками - почвой и корневой поверхностью, поэтому его поведение в системе почва-растение будет определяться

содержанием катионов, конкурирую-

Таблица 11. Концентрация К* щих за места на FES и корневом

r почвенном naoTRone _ „

обменном комплексе. Одним из

основных конкурирующих катионов для l37Cs за места на FES является К*. Анализ данных показал, что в каштановой почве и почвах черноземного ряда концентрация в почвенном растворе крайне низкая. Это обусловлено тем, что одной из определяющих характеристик, влияющих на фиксацию К* почвами, является содержание илистой фракции, а именно ее минералогический состав. Природа глинистых минералов, степень их выветривания и преобразования являются ответственными за фиксацию

Данные почвы характеризовались высоким содержанием илистой фракпди и высокой фиксирующей способностью по отношению как к К*, так и к l37Cs. Низинный торфяник, дерново-подзолистая и лугово-болотная почвы, наоборот, характеризовались высоким содержанием в почвенном растворе. Это говорит о том, что данные почвы в силу своих физико-химических характеристик слабо фиксируют ионы К*.

На основании измеренных концентраций К* в почвенном растворе для каждого типа почв были рассчитаны значения CF согласно предложенной N. Waegeneers с соавторами (2001) регрессионной модели (табл. 12). Анализ данных показывает, что при увеличении концентрации в почвенном растворе значения концентрационного фактора снижаются.

На основе полученных данных по характеристикам почв, определяющих доступность I37Cs в системе почва-растение, а именно: равновесной доли обменной формы l37Cs (а ); потенциала селективной с о р б ц нтрацииК+в

почвенном растворе был рассчитан параметр биологической доступности '^Cs (А).

Анализ результатов показывает, что среди минеральных почв дерново-подзолистая почва характеризовалась максимальными значением параметра биологической доступности п

1.17,

Тип (подтип) почвы [К*], тМ/л

Дерново-подзолистая 1,63

Се- го-серая лесная 0,18

Вь.^,---юченный чернозем Курская обл. 0,04

Выщелоченный чернозем Тульская обл. 0,07

Олодзоленный чернозем 0,05

Обычный чернозем 0,05

Типичный чернозем 0,09

Лугово-черноземная 0,87

Каштановая 0,14

Низинный торфяник 1,43

Сб (А), что говорит о наиболее высокой подвижности Сэ в данной почве (табл. 13). Значения параметра А для ряда черноземов были носительно низкими и раз биологической доступности

относительно низкими и различались незначительно. Высоким значением параметра

'"Сэ характеризовалась торфяная почва, что определяет невысокую подвижность СБ в цепи миграции почва-растение.

.Таблица 1 2. Значения концентрационного фактора

Тип (подтип) почвы СЯ

Дерново-подзолистая 9,0

Светло-серая лесная 11.5

Оподзоленный чернозем 14,5

Выщелоченный чернозем Курская обл. 15,2

Выщелоченный чернозем Тульская обл. 13,5

Обыкновенный чернозем 14,5

Типичный чернозем 12,9

Лугово-черноземная 9,5

Каштановая 12,0

Низинный торфяник 9.1

Таблица 13. Значения параметра биологической доступности

Тип (подтип) почвы А-КГ6

Дерново-подзолистая 151

Светло-серая лесная 3,5

Оподзоленный чернозем 0,3

Выщелоченный чернозем Курская обл. 0,4

Выщелоченный чернозем Тульская обл. 0,2

Обыкновенный чернозем 0,2

Типичный чернозем 0,3

Лугово-черноземная 1,3

Каштановая 0,9

Низинный торфяник 121

Использование математической модели для описания подвижности 137Св в системе почва-растение. Для описания подвижности 137Сз в системе почва-растение использовалась простая зависимость коэффициента накопления от двух параметров; характеризующих влияние почвенных показателей (параметр биологической доступности А) и роль биологических особенностей растения в поглощении радионуклида (концентрационный фактор СБ).

КН связан с параметром А посредством уравнения: КН = к (А-СР).

При оценке зависимости КН от выражения (CF-A) результаты регрессионного анализа показали высокую линейную корреляционную связь, при этом коэффициент к -эмпирическая величина, характеризующая угол наклона

Рис. 6. Зависимость КН Се для проростков ячменя от комплексного параметра биологической доступности

ИССЛЕДОВАНИЕ МЕХАНИЗМОВ ДЕЙСТВИЯ АГРОМЕЛИОРАНТОВ НА БИОЛОГИЧЕСКУЮ ПОДВИЖНОСТЬ м8г ИшСа

Оценка действия минеральных удобрений и агромелиорантов на биологическую

90с

подвижность, аг в дерново-подзолистои почве относится к элементам обменного типа поведения, он слабо фиксируется почвами, подвижность его высока и мало меняется со временем, поэтому большое значение представляет собой комплекс агрохимических защитных мероприятий, направленных на снижение перехода

908г из почвы в растение. Применение агромелиорантов способствует снижению подвижности 905г. Так как основным конкурирующим катионом за места сорбции в ППКдля ^Бг является Са, то наиболее эффективным приемом, направленным на снижение подвижности

в почве

является известкование. В многофакторном полевом опыте по изучению действия минеральных удобрений, навоза, известкования и их комбинаций на биологическую подвижность йг были отобраны характерные варианты, в которых можно было выявить четкие закономерности в поведении под действием того или иного вида агромелиорантов.

Для описания механизмов поведения 903г в системе почва-растение, а также для анализа данных, полученных в результате полевого эксперимента, был использован параметр биологической доступности 905г (А), являющийся комбинированной характеристикой почвы.

Влияние минеральных удобрений и агромелиорантов на физико-химические характеристики дерново-подзолистой почвы. Анализ данных показывает, что в результате внесения доломитовой муки в дозах 6 т/га и 9 т/га повысилось содержание обменного Са практически во всех вариантах опыта в 1,4-1,6 раза (варианты: 2, 3, 4, 5, 7, 8). Известкование почвы способствало снижению ее кислотности. Во всех вариантах с внесением доломитовой муки наблюдалось снижение кислотности почвы в среднем в 1,2 раза (Табл. 14) Близкие значения обменного К в почве в различных вариантах опыта можно объяснить поглощением его растением за период его вегетации

Таблица 14. Основные агрохимические показатели почвы опытных участков

№ Вариант рНка Гумус, % Обменные катионы ЕКО

К Са Мд

мг-экв/ЮОг

1 Контроль 5,08 1,70 0,46 2,84 0,56 3,86

2 N30K30P20+ навоз 30 т/га + дол мука 9 т/га 6,49 2,08 0,44 4,34 1,00 5,78

3 N30K90P20 + навоз 30 т/га + дол мука 9 т/га 6,46 2,07 0,47 4,07 0,48 5,02

4 NeoKso + дол мука 6 т/га 6,34 1,87 0,44 4,11 1,15 5,70

5 N6o + Дол мука 6 т/га 6,46 2,00 0,48 4,00 0,74 5,22

6 Кбо 5,93 2,06 0,46 3,93 0,76 5,15

7 Кво+дол мука 6 т/га 6,11 2,05 0,53 4,49 0,81 5,83

8 Доломитовая мука 6т/га 6,07 2,01 0,52 4,09 0,51 5,12

Внесение минеральных удобрений и агромелиорантов привело к изменению емкости катионного обмена дерново-подзолистой почвы Анализ данных показывает, что максимальное увеличение ЕКО в 1,5 раза характерно для варианта с внесением полного минерального удобрения на фоне навоза (30 т/га) и известкования (9т/га),

варианта с внесением азотных и калийных удобрений на фоне известкования (6 т/га) и варианта с внесением только калийных удобрений (К60) и доломитовой муки (6 т/га). Внесение только доломитовой муки (6 т/га), внесение только калийных удобрений и внесение азотных удобрений (N60) на фоне известкования (6 т/га) увеличило емкость катионного обмена в 1,3 раза.

Влияние минеральных удобрений и агромелиорантов на биологическую подвижность "^г. Наибольший эффект на снижение коэффициента накопления 905г в зерне овса оказало внесение полного комплекса минеральных удобрений (№0Р20К30) на фоне применения навоза (30 т/га) и известкования (9 т/га), а также внесение калийных удобрений (К60) на фоне известкования (6 т/га). В данных вариантах КН уменьшился относительно контроля в 1,7-1,9 раза, соответственно. В вариантах внесения азотно-калийных удобрений (№0К60) на фоне известкования (6 т/га) и внесения только калийных удобрений (К60) КН снизился в 1,5 раза, относительно контроля. Снижение КН в варианте с внесением полного минерального удобрения (№0Р20К90), доломитовой муки (9 т/га) и навоза (30 т/га) было аналогичным варианту с внесением азота (N60) на фоне известкования (6 т/га) и варианту с внесением только доломитовой муки (6 т/га). В этих вариантах КН снизился относительно контроля в 1,3 раза. Корреляционный анализ данных выявил достоверную обратную корреляционную связь между КН и содержанием обменного Са2+ в почве (г = -0,862; р<0,01) и емкостью катионного обмена почвы (г = -0,911)

Анализ полученных данных показал, что внесение минеральных удобрений и агромелиорантов оказало влияние на изменение содержания обменной формы в дерново-подзолистой почве. Минимальное значение доли обменной формы наблюдалось в варианте с внесением полного комплекса минерального (Ю0Р20К90) на фоне известкования (9 т/га) и применением навоза (30 т/га). Доля обменной формы здесь снизилась в 1,4 раза относительно контроля. В вариантах с внесением калийных удобрений (К60) на фоне известкования (6 т/га) и с внесением полного комплекса минеральных удобрений (№0Р20К30) на фоне применения навоза (30 т/га) и извести (9 т/га) доля обменной формы снизилась в 1,2 раза.

Таблица 15. Изменение показателей биологической подвижности "Бг после внесения минеральных удобрений и агромелиорантов

№ Вариант Доля обменной

формы 90Sr, (а„бм) КН

1 Контроль 0,86 0,85

2 ЫзоРгоКзо+навоз 30 т/га+ дол. мука 9 т/га 0,71 0,49

3 МзоРгоКю+навоз 30 т/га+дол. мука 9 т/га 0,60 0,64

4 N6oKeo+ дол. мука 6 т/га 0,81 0,55

5 N6o+ дол. мука 6 т/га 0,75 0,68

6 «50 0,88 0,53

7 К6о+ дол. мука 6 т/га 0,69 0,44

8 Доломитовая мука бт/га 0,83 0,68

Корреляционный анализ показывает, что между значениями КН и долей обменной формы очень слабая корреляционная связь

Для описания процессов, протекающих в системе почва-растение в условиях полевого опыта, был использован параметр биологической доступности который является комбинированной характеристикой почвы (табл. 16). Для этого экспериментальным путем измеряли характеристики почвы, входящие в уравнение, а

именно долю обменной формы 90Бг (Эобм) и содержание обменного Са2+. Коэффициент селективности обмена ^Бг/Садля дерново-подзолистой почвы, считали равным 2,5. Таблица 16. Изменение параметра

биологической доступности '"Бг (А) Максимальными значениями параметра

А, характеризовались контрольный вариант и вариант с внесением азотных удобрений (N60) на фоне известкования (6 т/га). Минимальными значениями -варианты с внесением полного комплекса минеральных удобрений (N30P20K30) на фоне навоза (30 т/га) и известкования (9 т/га) и с внесением калийных удобрений (К60) на фоне известкования (6 т/га).

Вариант А-10'2

Контроль 1,21

N30K30P20 +навоэ 30 т/га+ 0,65

дол мука 9 т/га

N30K90P20 +навоэ 30 0,59

т/га+дол. мука 9 т/га

ИбоКбо+ дол. мука 6 т/га 0,79

Neo + дол. мука 6 т/га 0,75

Кео 0,90

Кбо + дол. мука 6 т/га 0,61

Доломитовая мука бт/га 0,81

Полученные данные о КН 90Бг в зерне овса сравнивали с параметром биологической доступности А, рассчитанным для дерново-подзолистой почвы после внесения удобрений. Регрессионный анализ данных показал линейную корреляцию между КН и параметром А для зерна овса (рис. 7).

Коэффициент пропорциональности В, зависящий от биологических особенностей растения, рассчитывали по отношению КН к А. В результате проведенного расчета было получено, что коэффициент В в полевом опыте для зерна овса равен (79±15).

0,9

0,1 ■

0 -,-.-,-,-,-,-,

0,0000 0,0020 0,0040 0,0060 0,0080 0,0100 0,0120 0,0140 Параметр биологической доступности Sr-90, (А)

Рис. 7. Зависимость КН для зерна овса от параметра биологической доступности 91&

Изучение биологической подвижности в системе почва-растение в результате внесения минеральных удобрений в условиях полевого опыта

Действие агромелиорантов на биологическую подвижность

в почвах

обусловлено изменением состава почвенного раствора, а также физико-химических характеристик почвы. Анализ полученных данных выявил, что после внесения удобрений произошли изменения физико-химических показателей исследуемой почвы: наблюдалась тенденция к повышению кислотности почвы во всех вариантах, что характерно при применении азотных удобрений как отдельно, так и в комбинации с другими компонентами полного минерального удобрения; повысилось содержание обменного К в почве прямо пропорционально увеличению дозы вносимых калийных удобрений; с увеличением дозы внесения калийных удобрений увеличилась емкость катионного обмена почвы. При максимальных дозах вносимых калийных удобрений (К 150; К180) ЕКО увеличилась ~ в 1,4 раза.

Таблица 17. Агрохимические показатели почвы после внесения удобрений

№ Вариант рНка Содержание обменных катионов Нг ЕКО

К Са Мд

мг-экв/100г

1 Контроль 5,10 0,10 1,6 0,12 2,82 4,64

2 МюРбо 4,50 0,06 1,0 0,06 3,38 4,5

3 ЫмРбоКе«, 4,55 0,09 1,3 0,06 3,29 4,74

4 МэдРбоКад 5,05 0,10 1,3 0,05 2,63 4,08

5 N9oPбoK120 4,57 0,18 1,6 0,05 3,29 4,94

6 N«^601^150 4,80 0,17 1,8 0,07 4,32 6,36

7 ЫэоРбоКио 4,85 0,27 2,4 0,07 3,29 6,03

Внесение только азотно-фосфорных удобрений способствовало изменению агрохимических показателей почвы: увеличению кислотности в 1,1 раза, снижению содержания обменных катионов К, Са, (в 1,7; 1,6; и в 2 раза, соответственно). При внесении полного минерального удобрения с различными дозами калия наблюдалась тенденция к снижению кислотности почвы, увеличению содержания обменных катионов и увеличению емкости катионного обмена.

В почвенном растворе в каждом варианте опыта были измерены концентрации катионов К* и ЫН/. Концентрация в почвенном

растворе растет прямо

пропорционально с увеличением доз калийных удобрений. Концентрация в варианте внесения только азотно-фосфорных удобрений резко возрастает по сравнению с контролем и снижается в вариантах с внесением калийных удобрений (табл. 18).

Влияние минеральных удобрений на биологическую подвижность Анализ результатов полевого опыта показал, что внесение удобрений, особенно калийных, снижает переход |37Сб из почвы в растение - КН уменьшается прямо

Таблица 18. Концентрация К* и N1-1/

в почвенном растворе

Вариант [К*], тМ/л [мнл, тМ/л

Контроль 0,40 0,045

МдоРбО 0,47 0,13

МэоРбоКео 0,38 0,11

^ЭоРбоКдо 0,52 0,11

ЫэоРбоК^о 0,84 0,065

М9оРбоК)50 0,87 0,09

^доРбоКцю 1,13 0,09

пропорционально возрастанию дозы калия. В варианте с максимальным внесением дозы К значения КН уменьшились примерно в 4 раза относительно контроля как в соломе, так и в зерне озимой ржи (табл. 19).

Внесение только азотно-фосфорных удобрении способствовало увеличению коэффициента накопления 137Сз растением в 1,5 раза относительно контроля. В данном варианте значения КН были максимальными.

Коэффициенты накопления в соломе озимой ржи были выше в 1,5-1,6

раза, чем в зерне.

Таблица 19. Коэффициенты накопления "'сАнализ полученных результатов выявил

в зерне и соломе озимой ржи, (Бк/кг)ДБк/кг)

№ Вариант КН- Ю'2

зерно солома

1 Контроль 8,20 12,10

2 ИдоРбО 12,2 17,65

3 ^Р«>Кбо 7,10 12,00

4 МздРбоКэо 5,65 9,50

5 ЫдоРбоК^О 3,85 6,35

6 МэоРбоК150 2,65 4,45

7 ^Рб„К,80 2,10 2,80

тесную линейную связь между коэффициентами накопления для зерна и соломы озимой ржи и концентрацией К* в почвенном растворе. При увеличении концентрации в

почвенном растворе происходит снижение КН в как в соломе, так и в зерне озимой ржи. Начиная с концентрации К* от 0,8 mM/л, кривая зависимости выходит на плато (рис. 8).

Рис. 8. Зависимость КН '"Се озимой ржи от концентрации К* в почвенном растворе

Для оценки подвижности Сб были определены характеристики селективной сорбции ' 17Сз дерново-подзолистой песчаной почвы (значения доли обменной формы '"Се, значения потенциала селективной сорбции '"Се) (табл. 20)

Содержание обменной формы '"Сб в вариантах опыта варьировало в пределах от 12% до 18%. При внесении калийных удобрений доля обменной формы |37Сз в почве снижается. Максимальное снижение в 15 раза относительно контроля (N90P60) наблюдается при максимальной дозе калийных удобрений. Снижение доли обменной формы ,37Сз при внесении калийного удобрения может быть вызвано явлением межслоевого коллапса кристаллической решетки глинистого минерала в результате резкого увеличения концентрации К* в почвенном растворе.

Таблица 20. Показатели подвижности 137Сз в почве

№ Вариант RIP, мг-экв/кг Доля обменной формы "'Cs (а)

1 Контроль 100 0,16 ±0,05

2 NwPeo 110 0,18 ±0,05

3 NgoPeoKeo 180 0,16 ± 0,07

4 N90P60K90 160 0,14 ±0,03

5 N90P60K120 180 0,13 ± 0,04

6 N90P60K150 180 0,12 ±0,02

7 N90P60K180 160 0,12 ±0,03

При внесении калийных удобрений произошли изменения значений потенциала селективной сорбции 1 7Cs (RIP): при внесении калия даже в самой низкой дозе (N90P60K60) величина RIP увеличивается в 1,6-1,8 раза и не зависит от дальнейшего увеличения дозы калийных удобрений. Данное изменение значений потенциала селективной сорбции l37Cs можно объяснить явлением межслоевого коллапса, в результате которого происходит трансформация кристаллической решетки глинистого минерала (уменьшение межпакетного расстояния) из одной структуры в другую. В результате на расширенных краях глинистых частиц образуются новые обменные места с другими селективными свойствами.

Таблица 21. Параметры подвижности 137Cs Для описания процессов действия

удобрений на биологическую

137/-1

подвижность в системе почва-

растение была использована статическая модель включающая в себя параметр биологической доступности (А), который является комплексной характеристикой почвы и параметр CF, характеризующий биологические особенности растения.

Существенным различием между значениями параметра А, характеризовались контрольные варианты (чистый контроль и N60P90) различие в 1,9 раза. Относительно контроля значения концентрационного фактора (CF) уменьшались незначительно - от 10,3 (контроль) до 9,2 (N90P60K180) в зависимости от увеличения концентрации К* в почвенном растворе. Результаты регрессионного анализа показали, что для озимой ржи между величинами КН (для соломы, зерна) и комплексным параметром биологической доступности l37Cs (A-CF), являющегося общей характеристикой системы почва-растение, существует корреляционная связь (г = 0,764; р<0,05) (г = 0,808; р<0,05).

r г.игтеме почия-лягтенме

№ Вариант CF A" 10'2

1 Контроль 10,3 0,10

2 NgoPeo 10,2 0,19

3 NwPsoKeo 10,4 0,09

4 N90P60K90 10,0 0,10

5 N90P6QK120 9,6 0,08

6 N9<>P6oK)50 9,5 0,09

7 N9oP6oKt80 9,2 0,11

Рис. 9. Зависимость КН в озимой ржи от комплексного параметра биологической

доступности l37Cs в системе почва-растение (A-CF)

ВЫВОДЫ

1. Разработан методологический подход для описания биологической подвижности 905г и 137Сз в системе почва-растение, основанный на идентификации физико-химических процессов, протекающих между почвенным поглощающим комплексом и почвенным раствором, а также процессов корневого поглощения радионуклидов из почвенного раствора, контролируемых биологическими (физиологическими) особенностями растений.

137,

Разработаны статические математические модели, описывающие переход 90Бг и Сб из почвы в растения, которые включают в себя 3 компартмента: твердая фаза почвы, почвенный раствор и корень растения.

2. Предложены и экспериментально определены параметры для количественного описания процессов биологической подвижности в почвах. На стадии перехода

137,

Cs из почвы в почвенный раствор: доля обменной

формы 137Cs

(«),

характеризующая фиксирующую способность почвы; потенциал селективной сорбции Cs (RIP), характеризующий способность почвы селективно и обратимо сорбировать l37Cs; коэффициент распределения l37Cs (Кр), описывающий подвижность радионуклида в системе почва-почвенный раствор. На стадии перехода l37Cs из почвенного раствора в растение - концентрационный фактор (CF) - параметр, характеризующий подвижность I37Cs в системе почвенный раствор-растение, зависящий от концентрации К* в почвенном растворе.

В рамках статической модели был предложен комплексный параметр биологической доступности 137Cs, представляющий собой взаимосвязь параметра

биологической доступности 137Cs в почве (А) и показателя подвижности радионуклида в системе почвенный раствор - растение (CF).

3. Предложены и экспериментально определены параметры для количественного описания механизмов поведения 90Sr в системе почва-растение: доля обменной формы

Sr в почве ((Um); коэффициент селективности обмена пары Sr - Са (Кс Sr/Ca). В рамках предложенной модели разработан параметр биологической доступности 90Sr в почве (А). Данный параметр является комбинированной характеристикой почвы и параметров, отражающих подвижность радионуклида в почве.

4. Установлено, что для 10 типов основных почв, распространенных на Европейской части территории РФ, различия в содержании обменной формы l37Cs составили 4,5 раза. Максимальное содержание обменной формы 137Cs наблюдалось в дерново-подзолистой почве, минимальное - в черноземах. Установлена достоверная обратная корреляция между долей обменной формы в почвах и содержанием илистой фракции и вермикулита, а также прямая корреляция с концентрацией К* в почвенном растворе. Выявлено, что доля фиксированной формы 137Cs тесно коррелирует с содержанием вермикулита в почве.

5. Впервые для широкого набора почв были определены значения потенциала селективной сорбции Установлена значительная вариабельность значений RIP -различия составляли 12,8 раза. Минимальными значениями RIP характеризовались торфяная и дерново-подзолистая почвы, а максимальными - лугово-черноземная почва. Выявлена достоверная - корреляционная связь между содержанием илистой фракции почвы и значениями потенциала селективной сорбции 137Cs.

7. Установлено, что значения концентрационного фактора 137Cs (CF), характеризующего подвижность радионуклида в системе почвенный раствор-растение, для исследованных типов почв различались в 1,7 раза. Минимальными значениями CF характеризовались дерново-подзолистая, торфяная и лугово-черноземная почвы, а максимальными - почвы черноземного ряда.

8. Значения параметра биологической доступности l37Cs (А) дтя различных типов почв варьировали от 0,2-1 О*5 до 151-Ю'5. Максимальные значения параметра А установлены для дерново-подзолистой почвы, минимальные - для типичного и обыкновенного черноземов. Высоким значением параметра биологической доступности 137Cs характеризовалась торфяная почва (12М0'5). Показано, что коэффициент накопления 137Cs линейно связан с комплексным параметром биологической доступности 137Cs (A-CF). Установлено, что накопление 1 7Cs растениями различалось в зависимости от типа почвы - до 28 раз. Максимальные значения КН определены для дерново-подзолистой и торфяной почве, минимальные -для почв черноземного ряда.

9. Определена высокая подвижность 90Sr в почвах различных типов - содержание обменной формы 90Sr варьировало в пределах от 60 до 90%. Максимальное содержание обменной формы 90Sr получено в дерново-подзолистой почве, а минимальное - в почвах черноземного ряда. Установлена достоверная корреляционная зависимость между содержанием обменной формы 90Sr в почвах и содержанием илистой фракции.

10. Показано, что величина коэффициента селективности Кс (90Sr/Ca) варьирует для почв различных типов от 1.1 до 2.5, минимальный коэффициент селективности получен для торфяной почвы, а максимальный - для дерново-подлзолистой. Выявлена

положительная связь величины Кс (^Sr/Ca) с соотношением содержания гумуса и илистой фракции в почве.

И. Показано, что свойства почв определяют высокую вариабельность накопления 90Sr в растениях. Коэффициенты накопления радионуклида различались в 9,6 раза для проростков ячменя и в 6,6 раза для проростков люпина. Максимальные КН наблюдались на дерново-подзолистой почве, а минимальные на торфяной почве, типичном и обычном черноземах. Установлена достоверная прямая корреляция между КН 90Sr и долей обменной формы радионуклида в почве, а также обратная корреляция с содержанием илистой фракции и обменного кальция. Установлено, что коэффициент накопления '"Sr линейно связан с параметром биологической доступности являющегося комбинированной характеристикой свойств почвы

и показателей подвижности радионуклида в почве. Предложено уравнение, описывающее зависимость коэффициента накопления от параметра А и коэффициента пропорциональности В, характеризующего биологические особенности растения.

12. В условиях полевого эксперимента по изучению действия минеральных удобрений, навоза, известкования и их комбинаций на биологичемдто подвижность

показано, что применение агромелиорантов снижало накопление в зерне овса в 1,2-1,9 раза. Выявлена достоверная обратная корреляция между КН и содержанием обменного Са2* и емкостью катионного обмена почвы. Установлено, что применение агромелиорантов приводит к снижению подвижности радионуклида в почве - доля обменной формы снизилась в 1,2-1,4 раза. Под действием мелиорантов происходит снижение параметра биологической доступности (А) до 2 раз. Показано, что накопление Sr в растениях линейно связано с параметром биологической доступности

14. В условиях полевого эксперимента установлено, что внесение возрастающих доз калийных удобрений (от 60 кг/га до 180 кг/га К20) на фоне азотно-фосфорных в дерново-подзолистую песчаную почву обеспечивает снижение

КН I37Cs в зерне и

соломе озимой ржи в 1,2-3,9 раза. Показано, что при увеличении доз калийных удобрений наблюдается прямо пропорциональный рост концентрации в почвенном растворе (от 0,4 до 1,13 мМ), что приводит к снижению содержания обменной формы 37Cs (в 1,5 раза), увеличению значений потенциала селективной сорбции 13,Cs (RIP) (в 1,6-1,8 раза).

Найдена зависимость КН l37Cs от концентрации К+ в почвенном растворе. Показано, что увеличение концентрации К в почвенном растворе более 0,8 шМ (что соответствует дозе калийных удобрений 150 кг/га) слабо влияет на снижение

КН Cs

растения озимой ржи из дерново-подзолистой песчаной почвы.

Установлено, что под действием калийных удобрений наблюдается снижение параметра биологической доступности 137Cs (А) от 4,12 до 0,89. Показано, что накопление в растениях линейно связано с параметром биологической

доступности.

13. Сравнительный анализ поведения 90Sr и l37Cs показал, что их подвижность определяется физико-химическими свойствами радионуклида, процессами, протекающими между почвенным поглощающим комплексом и почвенным раствором, а также различиями в факторах (почвенных характеристиках), влияющих на эти процессы. Различия в механизмах поведения 90Sr и ' 7Cs в почвах описываются набором различных количественных показателей.

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Анисимов B.C., АлексахиН' P.M., Сысоева А.А. Определение параметров селективной сорбции радионуклидов в различных почвах. Труды международной конференции "Радиоактивность при ядерных взрывах и авариях", 24-26 апреля, 2000, Москва. Т. 2. С. 154-160.

2. Konopleva I.V., Sysoeva A.A., Sanzharova N.I. Bioavailability radiostrontium in soil: parameterization using soil characteristics. Abstracts of the XXXIII Annual ESNA/IUR Meeting, 10-14 September, 2002, Warsaw. Poland. WG 3, Soil-Plant-Relationship, P. 106.

3. Konopleva I.V., Sysoeva A.A., Sanzharova N.I. Bioavailability radiostrontium in soil: parameterization using soil characteristics. Proceedings of the XXXII Annual ESNA/IUR Meeting. 10-14 September, 2002, Warsaw. Poland. WG 3, Soil-Plant-Relationship. P. 20-25.

4. Ко но плева И.В., Сысоева А. А. Связь характеристик селективной сорбции wCs с содержанием илистой фракции почв. Тезисы докладов III Съезда по радиационным исследованиям, 21-25 мая 2003, Киев. С. 309.

5. Сысоева А.А. Метод параметризации перехода 90Sr из почвы в растения // Тезисы докладов III Съезда по радиационным исследованиям, 21-25 мая 2003, Киев. С. 331.

6. Сысоева А. А., Ко но плева И.В. Определение содержания вермикулита в почвах методом Cs фиксации. Тезисы докладов 7-ой Путинской школы-конференции молодых ученых "Биология - наука XXI века", 14-18 апреля 2003, Пущине С. 236.

7. Сысоева А.А. Оценка сорбционных свойств почв по отношению ^"Cs на основе содержания илистой фракции. Тезисы X международной конференции молодых ученых " Ломоносов", 15-18 апреля 2003, Москва. С. 342.

8. Konopleva I.V., Sysoeva A.A., Sanzharova N.I. Bioavailability of radiostrontium in soil: parameterization through modelling approach. Proceedings of 7-th international conference «Biogeochemistry of trace elements», 15-19 June, 2003, Uppsala, Sweden..V. 2. P. 384385.

9. Sysoeva, A.A., Konopleva, I.V. Characterization of typical Russian soils in terms of radiocaesium availability to plants. Abstracts of the XXXIII Annual ESNA/IUR Meeting., 27-31 August, 2003, Viterbo, Italy. P. 43-44.

10. Sysoeva, A.A., Konopleva, I.V. Characterization of typical Russian soils in terms of radiocaesium availability to plants. Proceedings of the XXXIII Annual ESNA/IUR Meeting., 2731 August, 2003, Viterbo, Italy. P. 21-27.

Макет, компьютерная верстка - Сысоева А.А Сдано в набор 3.03.2004 г. Подписано в печать 4.03 2004 г. Формат-60x84/16. Уел печ. л. 1,7. Тираж 70 экз. Заказ № 82 Отпечатано во ВНИИСХРАЭ

Содержание диссертации, кандидата биологических наук, Сысоева, Анастасия Анатольевна

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. Литературный обзор.

1.1. Почва как фактор влияния на миграцию радионуклидов.

1.2. Описание основных процессов и факторов, определяющих подвижность Cs в почвах.

1.3. Миграция I37Cs в системе почва-растение.

1.4. Анализ статических моделей, описывающих поведение ,37Cs в системе почва-растение.

1.5. Описание основных механизмов поведения 90Sr в почвах.

1.6. Анализ математических моделей, описывающих поведение 90Sr в системе почва-растение.

1.7. Применение агромелиорантов как эффективного приема, влияющего на снижение биологической подвижности радионуклидов.

ГЛАВА 2. Методологический подход к описанию процесса поступления u7Cs и 90Sr из почвы в растение.

2.1. Общее описание модели.

2.1.1. Моделирование физико-химических процессов, ответственных за переход Cs из почвы в растение.

2.1.2. Моделирование физико-химических процессов, ответственных за 52 переход 90Sr из почвы в растение.

ГЛАВА 3. Материалы и методы исследования.

3.1. Характеристика исследуемых почв.

3.2. Методы проведения исследований.

3.3. Схемы полевых опытов по изучению влияния агрохимических защитных мероприятий на переход 137Cs и 90Sr в сельскохозяйственные растения.

ГЛАВА 4. Исследование биологической подвижности Cs в системе почва

-растение.

4.1. Влияние свойств почв на переход 137Cs в растения.

4.2. Формы нахождения ,37Cs в почвах разных типов.

4.3. Характеристики селективной сорбции Cs.

4.4. Катионный состав почвенного раствора и его влияние на параметры подвижности Cs в системе почва-растение.

4.5. Использование математической модели для описания подвижности

137Cs в системе почва-растение.

ГЛАВА 5. Исследование биологической подвижности 90Sr в почвах различных типов.

5.1. Влияние свойств почв на переход 90Sr в растения.

5.2. Формы 90Sr в почвах различных типов.

5.3. Оценка коэффициентов селективности для почв различных типов.

5.4. Использование математической модели для описания подвижности 90Sr в системе почва-растение.

ГЛАВА 6. Исследование механизмов действия агромелиорантов на биологическую подвижность 137Cs и 90Sr.

6.1. Изучение биологической подвижности 137Cs в системе почва-растение в результате внесения минеральных удобрений в условиях полевого опыта.

6.1.1. Влияние минеральных удобрений на изменение физико-химических характеристик дерново-подзолистой почвы.

6.1.2. Влияние минеральных удобрений на биологическую подвижность 137Cs.

6.1.3. Использование математической модели для описания действия удобрений на подвижность Cs в системе почва-растение.

6.2. Оценка действия минеральных удобрений и агромелиорантов на биологическую подвижность 90Sr в дерново-подзолистой почве.

6.2.1. Влияние минеральных удобрений и агромелиорантов на физико-химические характеристики дерново-подзолистой почвы.

6.2.2. Влияние минеральных удобрений и агромелиорантов на биологическую подвижность 90Sr.

6.2.3. Математическая модель, как инструмент анализа для описания процессов действия минеральных удобрений и агромелиорантов на биологическую подвижность 90Sr.

Введение Диссертация по биологии, на тему "Экспериментальное исследование и моделирование процессов, определяющих подвижность 90Sr и 137Cs в системе почва - растение"

Испытания ядерного оружия, а также нормализованные и аварийные выбросы предприятий ядерного топливно-энергетического цикла привели к существенному увеличению количества антропогенных радионуклидов в окружающей среде. Поступая в окружающую среду, радионуклиды концентрируются в почве. Поступление радионуклидов в рацион питания населения в значительной степени зависит от их биологической доступности и времени нахождения в почве. Идентификация механизмов биологической доступности радионуклидов в окружающей среде имеет определяющее значение с точки зрения оценки их реальной опасности для человека.

Почва является исходным звеном миграции радионуклидов по сельскохозяйственным и пищевым цепочкам, что определяет необходимость детального исследования процессов, определяющих подвижность радионуклидов в почвах и в системе почва-растение. Закрепление радионуклидов почвами является сложным процессом, происходящим во времени, при этом скорость сорбции и фиксации радионуклидов в почвах зависит как от физико-химических свойств радионуклидов, так и от физических и химических свойств почв (В.М. Клечковский, И.В. Гулякин, Е.В. Юдинцева, P.M. Алексахин, Ф.И. Павлоцкая, И.Т. Моисеев, Н.П. Архипов, Б.С. Пристер,

Н/

В.М. Прохоров, И.В. Куликов, И.В. Молчанова, Р.И. Погодин, Menzel R.G., Heald W.R., Nishita Н., Taylor Р. и др.). Выделено 5 групп радионуклидов по типу поведения в почвах и в системе почва-растение (pf.B. Тимофеев-Ресовский). Для каждого радионуклида закрепление в почве является следствием различных физико-химических процессов, имеющих различную природу и протекающих с разной скоростью.

Среди продуктов деления ядерного топлива наиболее экологически значимыми при рассмотрении долговременных последствий являются радионуклиды цезия и стронция. Опасность 90Sr и 137Cs определяется несколькими факторами: высоким выходом при делении, длительным периодом полураспада (около 30 лет), потенциально высокой растворимостью и подвижностью в природных средах, высокой биологической доступностью, обусловленной химической схожестью с жизненно важными питательными элементами: калием (радиоцезий) и кальцием (радиостронций) (Алексахин P.M., 1963). Радионуклиды характеризуются различным типом поведения в почвах - для 90Sr характерен обменный тип поведения в почвах, а для 137Cs необменный, т.к. в микроколичествах радионуклид преимущественно фиксируется в межпакетном пространстве трехслойных алюмосиликатов.

Переход радионуклидов из почвы в растения является первым и наиболее значимым звеном его миграции по пищевым цепям. Поступление радионуклидов из почвы в растения определяется множеством факторов, что затрудняет выявление механизмов этого процесса и определение показателей, которые адекватно его описывают. Проведенные после аварии на Чернобыльской АЭС многолетние наблюдения за поступлением радионуклидов из почв в растения позволили получить принципиально

117 новые данные: установлен факт снижения накопления Cs в растениях с течением времени; определены факторы, определяющие снижение накопления 137Cs в растениях; выявлены различия в динамике накопления 137Cs и 90Sr в растениях из почв, обусловленные влиянием свойств радиоактивных выпадений; определены количественные параметры, описывающие темпы снижения содержания радионуклидов в растениях (Суркова JI.B., Погодин Р.И., Санжарова Н.И., Фесенко С.В., Круглов С.В., Иванов Ю.А., Архипов А.Н. и др.).

В последние годы сформировались новые методические подходы к описанию процессов сорбции и фиксации радионуклидов в почвах, основанные на теории селективной сорбции. В работах А. Кремерса впервые определены параметры,

117 характеризующие способность почв селективно сорбировать Cs. Эти исследования позволили прогнозировать распределение 137Cs между твердой фазой почвы и почвенным раствором на основе физико-химических характеристик почв. Начаты работы по изучению и количественному описанию процессов поглощения радионуклидов из почвенного раствора корневыми системами растений (Е. Smolders, N. Waegeneers, G. Shaw, Дричко В.Ф., Соколик А.И., А.В. Коноплев, И.В. Коноплева).

Корректное описание процессов, определяющих поведение радионуклидов в экосистемах, является необходимым условием для разработки методов прогнозирования радиационной обстановки. Такое прогнозирование возможно на основании математического моделирования процессов, определяющих поведение радионуклида в природных и аграрных экосистемах. Точность прогноза, получаемого при помощи математических моделей, зависит, с одной стороны, от полноты описания процессов, определяющих поведение радионуклида, а с другой, от точности оценок параметров модели. Точное описание процессов возможно только на основе понимания механизмов поведения радионуклидов в компонентах экосистем.

Загрязнение сельскохозяйственных угодий 90Sr и 137Cs, обусловленное авариями на Южном Урале и на Чернобыльской АЭС, до настоящего времени представляет собой актуальную практическую проблему. Одним из важных аспектов этой проблемы является разработка системы защитных мероприятий, направленных на снижение уровней загрязнения сельскохозяйственной продукции. За годы прошедшие после аварий накоплен огромный материал по эффективности различных приемов реабилитации загрязненных б территорий. Среди этих приемов важное место занимает применение агромелиорантов, которые обеспечивают снижение темпов миграции радионуклидов по сельскохозяйственным цепочкам. Однако, определение оптимальных доз внесения агромелиорантов требует знания механизмов их влияния на биологическую подвижность радионуклидов. В последние годы разрабатываются новые методические подходы для оценки эффективности применения агромелиорантов, которые учитывают такие факторы как изменение состава почвенного раствора, подвижности радионуклидов в почве, изменение прочности сорбции и фиксации радионуклидов и т.п. Предложены статическая и динамическая модели для прогнозирования эффективности применения мелиорантов по снижению накопления 137Cs в лесных растениях (И.В. Коноплева, С.И. Спиридонов). Однако, эти новые методические подходы до настоящего времени практически не применялись для изучения модифицирующего действия агромелиорантов на поведение Sr и Cs в аграрных экосистемах.

Изучение механизмов биологической доступности радионуклидов, разработка теоретических основ поведения радионуклидов в экосистемах и оптимизация применения химических мелиорантов на основании изучения механизмов их действия на подвижность радионуклидов являются актуальными направлениями развития исследований в современной радиоэкологии и имеет практическое значение при прогнозировании и оценке реальной опасности радиоактивного загрязнения окружающей среды для человека. Цель и задачи исследования

Целью настоящей работы является идентификация и описание основных процессов, определяющих биологическую подвижность 90Sr и 137Cs в почвах различных типов, и выявление механизмов действия агромелиорантов на поведение радионуклидов в системе почва-растение.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

- разработать методологический подход к описанию поведения радионуклидов в системе почва-растение;

- разработать статическую модель, определяющую поведение радионуклидов в системе почва-растение;

- определить параметры подвижности l37Cs (формы 137Cs в почве; потенциал

147 селективной сорбции Cs (RIP); концентрационный фактор (CF); коэффициент

147 распределения Cs между твердой и жидкой фазами почвы; коэффициент накопления

137Cs сельскохозяйственными растениями) для почв различных типов;

- определить параметры подвижности 90Sr (формы 90Sr в почве; коэффициент селективности пары 90Sr-Ca (Kc90Sr/Ca); коэффициент накопления 90Sr сельскохозяйственными растениями) для почв различных типов;

- исследовать зависимость показателей подвижности 90Sr и I37Cs от свойств почв; изучить механизмы действия агромелиорантов на биологическую подвижность 90Sr и 137Cs в дерново-подзолистой песчаной почве; разработать комплексный параметр подвижности радионуклидов, учитывающий влияние различных физико-химических свойств почв;

- оценить возможность применения комплексного параметра биологической доступности радионуклидов для определения эффективности применения агромелиорантов.

Научная новизна работы:

В рамках математической модели впервые для описания подвижности 90Sr в системе почва-растение предложен и количественно оценен параметр биологической 90г> доступности Sr в почвах, рассчитываемый на основе почвенных характеристик и показателей подвижности: содержание обменного кальция, доля обменной формы 90Sr, коэффициент селективности ионного обмена 90Sr на Са, Ac(90Sr/Ca) в почве. Получены прогностические уравнения для оценки коэффициентов накопления 90Sr сельскохозяйственными растениями на основе параметра его биологической доступности.

Впервые получены значения коэффициентов селективности ионного обмена 90Sr на Са, КсС°Sr/Ca) для 10-ти основных типов почв Европейской части РФ. Впервые выявлена зависимость коэффициента селективности от соотношения содержания гумуса к содержанию илистой фракции в почве.

1Д7

Для описания миграции Cs в системе почва-растение введен параметр биологической доступности, представляющий собой комбинацию свойств почв и показателей подвижности: содержание обменного Cs, катионный состав почвенного раствора, потенциал селективной сорбции, концентрационный фактор.

В рамках предложенной равновесной модели способность почв селективно сорбировать ,37Cs характеризуется потенциалом селективной сорбции 137Cs, фиксирующая способность почвы - равновесной долей обменного I37Cs, видовая особенность растения выражена концентрационным фактором, зависящим в свою очередь от концентрации К+ в почвенном растворе.

Впервые определены значения потенциала селективной сорбции, определяющего способность почв селективно сорбировать I37Cs, для 10-ти основных типов почв

Европейской части РФ. Впервые определены корреляционные соотношения между содержанием илистой фракции и величиной потенциала селективной сорбции 137Cs.

Показано, что при применении агромелиорантов снижаются показатели подвижности 90Sr и I37Cs. Установлено, что внесение калийных удобрений приводит к увеличению потенциала селективной сорбции ,37Cs. Показана возможность применения комплексного параметра биологической доступности радионуклидов для оценки эффективности применения агромелиорантов.

Теоретическая и практическая значимость работы.

Предложен методологический подход для описания механизмов поведения радионуклидов в системе почва-растение, учитывающий процессы сорбции и фиксации, протекающие в системе почвенный поглощающий комплекс - почвенный раствор и процессы поглощения радионуклидов корневыми системами из почвенного раствора. На основе методологического подхода предложены математические модели миграции радионуклидов в системе почва-растение.

Определены количественные параметры подвижности 90Sr и 137Cs для основных почв Европейской части России, которые могут быть использованы для оценки и прогнозирования радиологической ситуации на загрязненных территориях. Оценены комплексные параметры биологической доступности 90Sr и I37Cs, которые могут быть использованы для определения эффективности действия агромелиорантов, применяемых для снижения накопления радионуклидов в сельскохозяйственных растениях.

Впервые предложен метод определения вермикулита в почве на основе механизмов фиксации I37Cs.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Методологический подход к описанию перехода 90Sr и 137Cs из почвы в растения, учитывающий процессы сорбции и фиксации, протекающие в системе почвенный поглощающий комплекс - почвенный раствор и процессы поглощения радионуклидов корневыми системами из почвенного раствора.

2. Статические математические модели, описывающие поведение 90Sr и 137Cs в системе почва-растение.

3. Комплекс количественных показателей, описывающих биологическую подвижность 137Cs и 90Sr в почвах различных типов.

4. Прогностические уравнения для расчета коэффициентов накопления 90Sr и I37Csb сельскохозяйственных растениях на основе параметра биологической доступности радионуклидов в почве.

5. Описание механизмов действия агромелиорантов на биологическую подвижность радионуклидов.

Апробация работы:

Основные положения и результаты исследования докладывались и обсуждались на: XXXII и XXXIII объединенных съездах Европейского общества по применению ядерных методов в сельском хозяйстве (ESNA) и международного союза радиоэкологов (IUR) в Варшаве (Польша), Витербо (Италия), 2002, 2003; 3-ем съезде по радиационным исследованиям, Киев (Украина), 2003; 7-ой Пущинской школы-конференции молодых ученых "Биология - наука XXI века", Пущино, 2003; 7-ой международной конференции "Биогеохимия меченых элементов", Упсала (Швеция), 2003; X международной конференции молодых ученых "Ломоносов", Москва, 2003.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 10 работ.

Структура и объем диссертации. Диссертация изложена на 133 страницах машинописного текста, включает содержание, введение, 6 глав, 38 таблиц, 15 рисунков и список публикаций из 122 наименований.

Заключение Диссертация по теме "Радиобиология", Сысоева, Анастасия Анатольевна

ВЫВОДЫ

1. Разработан методологический подход для описания биологической подвижности 90Sr и 137Cs в системе почва-растение, основанный на идентификации физико-химических процессов, протекающих между почвенным поглощающим комплексом и почвенным раствором, а также процессов корневого поглощения радионуклидов из почвенного раствора, контролируемых биологическими (физиологическими) особенностями растений. Разработаны статические математические модели, описывающие переход 90Sr и 137Cs из почвы в растения, которые включают в себя 3 компартмента: твердая фаза почвы, почвенный раствор и корень растения.

2. Предложены и экспериментально определены параметры для количественного описания процессов биологической подвижности I37Cs в почвах. На стадии перехода I37Cs из почвы в почвенный раствор: доля обменной формы I37Cs (а), характеризующая фиксирующую способность почвы; потенциал селективной сорбции ,37Cs (RIP), характеризующий способность почвы селективно и обратимо сорбировать I37Cs; коэффициент распределения ,37Cs (Ко), описывающий подвижность радионуклида в системе почва-почвенный раствор. На стадии перехода ,37Cs из почвенного раствора в растение - концентрационный фактор (CF) - параметр, характеризующий подвижность

137/-I " - •»+

Cs в системе почвенный раствор-растение, зависящии от концентрации К в почвенном растворе.

В рамках статической модели был предложен комплексный параметр биологической

117 доступности Cs, представляющий собой взаимосвязь параметра биологической

117 доступности Cs в почве (А) и показателя подвижности радионуклида в системе почвенный раствор - растение (CF).

3. Предложены и экспериментально определены параметры для количественного описания механизмов поведения 90Sr в системе почва-растение: доля обменной формы 90Sr в почве (аобм); коэффициент селективности обмена пары 90Sr - Са (Кс 90Sr/Ca). В рамках предложенной модели разработан параметр биологической доступности 90Sr в почве (А). Данный параметр является комбинированной характеристикой почвы и параметров, отражающих подвижность радионуклида в почве.

4. Установлено, что для 10 типов основных почв, распространенных на Европейской части территории РФ, различия в содержании обменной формы 137Cs составили 4,5 раза. Максимальное содержание обменной формы 137Cs наблюдалось в дерново-подзолистой почве, минимальное - в черноземах. Установлена достоверная обратная корреляция между долей обменной формы в почвах и содержанием илистой фракции и вермикулита, а также прямая корреляция с концентрацией К+ в почвенном растворе. Выявлено, что доля фиксированной формы ,37Cs тесно коррелирует с содержанием вермикулита в почве.

5. Впервые для широкого набора почв были определены значения потенциала селективной сорбции ,37Cs. Установлена значительная вариабельность значений R1P -различия составляли 12,8 раза. Минимальными значениями RIP характеризовались торфяная и дерново-подзолистая почвы, а максимальными - лугово-черноземная почва. Выявлена достоверная корреляционная связь между содержанием илистой фракции почвы и значениями потенциала селективной сорбции 137Cs.

6. Установлено, что значения концентрационного фактора n7Cs (CF), характеризующего подвижность радионуклида в системе почвенный раствор-растение, для исследованных типов почв различались в 1,7 раза. Минимальными значениями CF характеризовались дерново-подзолистая, торфяная и лугово-черноземная почвы, а максимальными - почвы черноземного ряда.

7. Значения параметра биологической доступности 137Cs (А) для различных типов почв варьировали от 0,2-10'5 до 15 МО"5. Максимальные значения параметра А установлены для дерново-подзолистой почвы, минимальные - для типичного и обыкновенного черноземов. Высоким значением параметра биологической доступности ,37Cs характеризовалась торфяная почва (121* 10"5). Показано, что коэффициент накопления 137Cs линейно связан с комплексным параметром биологической доступности ,37Cs (A-CF). Установлено, что

IЯ7 накопление Cs растениями различалось в зависимости от типа почвы - до 28 раз. Максимальные значения КН определены для дерново-подзолистой и торфяной почве, минимальные - для почв черноземного ряда.

8. Определена высокая подвижность 90Sr в почвах различных типов - содержание обменной формы 90Sr варьировало в пределах от 60 до 90%. Максимальное содержание обменной формы 90Sr получено в дерново-подзолистой почве, а минимальное - в почвах черноземного ряда. Установлена достоверная корреляционная зависимость между содержанием обменной формы 90Sr в почвах и содержанием илистой фракции.

9. Показано, что величина коэффициента селективности Кс (90Sr/Ca) варьирует для почв различных типов от 1.1 до 2.5, минимальный коэффициент селективности получен для торфяной почвы, а максимальный - для дерново-подлзолистой. Выявлена положительная связь величины Кс (90Sr/Ca) с соотношением содержания гумуса и илистой фракции в почве.

10. Показано, что свойства почв определяют высокую вариабельность накопления 90Sr в растениях. Коэффициенты накопления радионуклида различались в 9,6 раза для проростков ячменя и в 6,6 раза для проростков люпина. Максимальные КН наблюдались на дерново-подзолистой почве, а минимальные на торфяной почве, типичном и обычном черноземах. Установлена достоверная прямая корреляция между КН 90Sr и долей обменной формы радионуклида в почве, а также обратная корреляция с содержанием илистой фракции и обменного кальция. Установлено, что коэффициент накопления 90Sr линейно связан с параметром биологической доступности 90Sr (А), являющегося комбинированной характеристикой свойств почвы и показателей подвижности радионуклида в почве. Предложено уравнение, описывающее зависимость коэффициента накопления от параметра А и коэффициента пропорциональности В, характеризующего биологические особенности растения.

11. В условиях полевого эксперимента по изучению действия минеральных удобрений, навоза, известкования и их комбинаций на биологическую подвижность 90Sr показано, что применение агромелиорантов снижало накопление 90Sr в зерне овса в 1,2-1,9 раза. Выявлена достоверная обратная корреляция между КН и содержанием обменного Са2+ и емкостью катионного обмена почвы. Установлено, что применение агромелиорантов приводит к снижению подвижности радионуклида в почве - доля обменной формы снизилась в 1,2-1,4 раза. Под действием мелиорантов происходит снижение параметра биологической доступности (А) до 2 раз. Показано, что накопление 90Sr в растениях линейно связано с параметром биологической доступности 90Sr(A).

12. В условиях полевого эксперимента установлено, что внесение возрастающих доз калийных удобрений (от 60 кг/га до 180 кг/га КгО) на фоне азотно-фосфорных в дерново-подзолистую песчаную почву обеспечивает снижение КН ,37Cs в зерне и соломе озимои ржи в 1,2-3,9 раза. Показано, что при увеличении доз калийных удобрений наблюдается прямо пропорциональный рост концентрации К+ в почвенном растворе (от 0,4 до 1,13 мМ), что приводит к снижению содержания обменной формы 137Cs (в 1,5 раза), увеличению значений потенциала селективной сорбции 137Cs (RIP) (в 1,6-1,8 раза). Найдена зависимость КН ,37Cs от концентрации К в почвенном растворе. Показано, что увеличение концентрации К+ в почвенном растворе более 0,8 шМ (что соответствует дозе калийных удобрений 150 кг/га) слабо влияет на снижение КН ,37Cs растения озимои ржи из дерново-подзолистой песчаной почвы.

Установлено, что под действием калийных удобрений наблюдается снижение параметра

I17 147 биологической доступности Cs (А) от 4,12 до 0,89. Показано, что накопление Cs в растениях линейно связано с параметром биологической доступности.

13. Сравнительный анализ поведения 90Sr и ,37Cs показал, что их подвижность определяется физико-химическими свойствами радионуклида, процессами, протекающими между почвенным поглощающим комплексом и почвенным раствором, а также различиями в факторах (почвенных характеристиках), влияющих на эти процессы. Различия в механизмах поведения 90Sr и ,37Cs в почвах описываются набором различных количественных показателей.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Идентификация и описание основных процессов, определяющих биологическую подвижность 90Sr и l37Cs в природных и аграрных экосистемах, является одной из фундаментальных задач современной радиоэкологии.

Исследования по изучению поведения 90Sr и ,37Cs в окружающей среде были начаты в 50-е годы в связи с необходимостью оценки последствий глобальных выпадений в результате испытаний ядерного оружия и аварий на ядерных объектах. В результате проведенных исследований накоплен обширный материал о состоянии радионуклидов в почвах и закономерностям миграции их по трофическим цепочкам, а также выявлены основные факторы, определяющие специфику поведения радионуклидов. Основным депо и первичным звеном миграции радионуклидов является почва. Поведение радионуклидов в почвах определяет интенсивность их миграции по сельскохозяйственным и пищевым цепочкам и, таким образом, является определяющим фактором при оценке реальной радиоактивного опасности загрязнения окружающей среды для человека. Знание механизмов поведения радионуклидов в природных и аграрных экосистемах является базовой информацией как для оценки и прогнозирования радиационной ситуации, так и для обоснования системы мероприятий, направленных на ее улучшение.

Исследование механизмов поведения радионуклидов включает выявление и описание процессов, определяющих их состояния в почвах, а также поиск параметров, которые могут дать количественную оценку установленным закономерностям. Ведущими физико-химическими факторами, которые определяют подвижность радионуклидов в почвах и их доступность для растений, являются реакции, протекающие на границе раздела твердой и жидкой фаз почвы и контролирующие уровни содержания элементов в почвенном растворе. Одними из основных процессов, которые влияют на состояние радионуклидов в почвах, являются процессы их сорбции и фиксации в почвенном поглощающем комплексе.

В качестве показателей, которые характеризуют процессы закрепления-подвижности радионуклидов в почвах наиболее часто используются формы нахождения радионуклидов (водорастворимая, обменная, подвижная, фиксированная). Интегральным параметром подвижности является коэффициент накопления (или перехода) радионуклида растениями, который отражает степень подвижности элемента в течение достаточно длительного периода вегетации растений. В 80-е годы развитие теоретических представлений о механизмах поведения радионуклидов в почвах привело к разработке новых показателей подвижности. Sheppard M.J. (1985) был предложен параметр подвижности радионуклидов в системе твердая фаза почвы - почвенный раствор, который получил наименование коэффициент распределения (Ко). Развитие теории селективной сорбции и фиксации радионуклидов в почве (Cremers et al., 1988) показало необходимость учета процессов селективной сорбции. Для описания поведения 137Cs был предложен коэффициент селективности. Данные исследования позволили прогнозировать

117 распределение Cs между твердой фазой почвы и почвенным раствором на основе физико-химических характеристик почв. В последние годы изучалась роль корневой

117 системы в процессе поступления Cs в растение (Smolders et al., 1997; Соколик А.И. и др., 1997).

Современные знания о механизмах поступления радионуклидов из почвы и их поглощение растениями достигли такого уровня, при котором становится возможным описывать их поведение посредством математических моделей. Основная задача моделей - углубить теоретические представления о механизмах биологической подвижности радионуклидов в почвах.

В настоящей работе был разработан методологический подход, включающий в себя математическое описание процессов биологической подвижности 90Sr и l37Cs в почвах различных типов. При разработке методологического подхода и математических моделей особое внимание было уделено различиям в поведении 90Sr и 137Cs, т.к. для первого характерен обменный тип, а для второго - необменный. Эти особенности в поведении радионуклидов определили необходимость проведения исследований по выявлению и описанию специфических физико-химических процессов сорбции, фиксации или закрепления их в почвах и определению для каждого радионуклида комплекса показателей, которые корректно учитывают различия в их поведении.

Процесс поглощения элементов определяется свойствами почвы и физиологическими особенностями растения, поэтому для того, чтобы прогнозировать их поглощение в конкретной системе почва-растение, необходимо контролировать эти две основные функции. Совокупность этих процессов является основой методологического подхода к описанию процесса поступления радионуклидов из почвы в растение. В основе методологического подхода лежит предположение о том, что 137Cs и 90Sr в почвенном растворе находятся в динамическом равновесии с двумя ионообменниками - почвой и поверхностью корня. Переход радионуклидов в растения рассматривается как результирующая двух основных процессов: почвенного, определяемого сорбционной и фиксирующей способностью почвы по отношению к радионуклиду и концентрациями основных конкурирующих катионов в почвенном растворе, и биологического физиологического), связанного с поглощением радионуклида корневой системой из почвенного раствора.

Основываясь на данном подходе, были предложены две статические математические модели, описывающие переход 90Sr и ,37Cs из почвы в растения, что обусловлено различным типом поведения данных радионуклидов в почвах. Модели включают в себя 3 компартмента: твердая фаза почвы, почвенный раствор и корень растения. Такая структура моделей объединяет процессы перехода радионуклидов из почвы в почвенный раствор и из почвенного раствора в корневой обменный комплекс.

I %7

В рамках статической математической модели миграция Cs в системе почва-растение описана несколькими стадиями. Первая стадия включает в себя ионный обмен между твердой и жидкой фазами почв и является почвенно-химическим процессом. Особенность этого процесса состоит в том, что ионы 137Cs селективно сорбируются на сорбционных центрах, расположенных на краевых концах выветренных глинистых минералов и существенно различающихся по прочности связи. На этой стадии основными конкурирующими катионами выступают К+ и NH4+. На второй стадии происходит

117 поглощение Cs из почвенного раствора растением (процесс ионного поглощения клетками корня и перемещение в надземные части) и является процессом, контролируемым физиологией растения. Процесс ионного поглощения играет особую

137 + роль во всем процессе перехода Cs из почвы в растение поскольку Cs не является минеральным элементом питания для растения, но он может быть абсорбирован транспортными системами его макроаналога К\ На второй стадии основным конкурирующим катионом 137Cs выступает К+: Корневое поглощение 137Cs значительно снижается с повышением концентрации К+ в питательной среде. Высокие концентрации ионов К+ эффективно снижают возможность поглощения Cs+ через калиевые каналы или посредством переносчиков, расположенных в мембране корневой клетки. Это приводит к концепции, что биологическая доступность 137Cs в почве контролируется двумя факторами: его подвижностью в почве и концентрацией К+ в почвенном растворе. Анализ механизмов поступления 137Cs из почвы и его поглощения растениями позволяет предположить, что наиболее высокий переход I37Cs в растения ожидается когда высокая

137 + подвижность Cs сочетается с низкими концентрациями К в растворе. Подвижность 137Cs в почве контролируется содержанием глинистых минералов. Однако повышение содержания глинистых минералов снижает подвижность в почве не только 137Cs, но и К+, повышая возможность 137Cs быть абсорбированным корнем растения. Эти два эффекта взаимно направлены и противодействуют друг другу.

Для количественного описания процессов биологической подвижности Cs в

117 почвах использовались различные параметры. На стадии перехода Cs из почвы в почвенный раствор использовались такие параметры как: доля обменной формы 137Cs (а), характеризующая фиксирующую способность почвы; потенциал селективной сорбции I37Cs (RIP), характеризующий способность почвы селективно и обратимо сорбировать I37Cs; коэффициент распределения 137Cs (Ко), описывающий подвижность радионуклида в

117 системе почва-почвенный раствор. На стадии перехода Cs из почвенного раствора в растение использовался концентрационный фактор (CF) - параметр, характеризующий

137 + подвижность Cs в системе почвенный раствор-растение, зависящий от концентрации К в почвенном растворе. В рамках статической модели был предложен комплексный параметр биологической доступности 137Cs, представляющий собой комбинацию свойств почв и показателей подвижности радионуклида в системе почва -растение.

Согласно положениям методологического подхода подвижность 90Sr в системе почва-растение описывается нескольким стадиями. 90Sr относится к элементам обменного типа поведения и слабо фиксируется почвами. Данный радионуклид характеризуется высокой биологической подвижностью и интенсивностью миграции в цепи почва-растение. Поступление 90Sr как из почвы в почвенный раствор, так и из почвенного раствора в корень происходит путем ионного обмена. Транспорт катионов осуществляется преимущественно в апопласте путем свободной диффузии в объеме клеточной стенки, где часть ионов находится в растворе, идентичному внешнему почвенному раствору, а часть связывается в корневом обменном комплексе. Доля Sr2* в корневом обменном комплексе определяется составом почвенного раствора. Для 90Sr основным катионом почвенного раствора, конкурирующим за места на корневом обменном комплексе является Са2+.

Для количественного описания механизмов поведения 90Sr в системе почва-растение использовались такие параметры подвижности как: доля обменной формы 90Sr в почве (аобм); коэффициент селективности обмена пары 90Sr - Са (Яс 90Sr/Ca); коэффициент накопления 90Sr в растениях, как интегральный показатель подвижности радионуклида в системе почва-растение. На основе предложенной модели разработан параметр биологической доступности 90Sr в почве. Данный параметр является комбинированной характеристикой почвы и параметров, отражающих подвижность радионуклида в почве.

Таким образом, при сравнении механизмов поведения двух радиологически значимых элементов на основании предложенного подхода, видно, что процессы биологической подвижности ,37Cs и 90Sr в цепи почва-растение различны. Поведение 137Cs описывается значительно большим количеством показателей, чем 90Sr в силу его сложного характера взаимодействия с почвой.

Для реализации предложенного методологического подхода и проверки разработанных моделей были проведены модельные эксперименты с целью определения количественных параметров биологической подвижности 90Sr и 137Cs в почвах различных типов и оценки роли различных факторов, влияющих на процессы сорбции и фиксации радионуклидов.

Установлено, что накопление 137Cs растениями существенно различалось в зависимости от типа почвы - до 28 раз. Максимальными значениями КН характеризовались дерново-подзолистая и торфяная почвы, минимальными - почвы черноземного ряда. Свойства почв определяют и подвижность радионуклида - содержание

117 обменной формы Cs в различных типах почв различалось в 4,5 раза, что обусловлено содержанием илистой фракции, а также различиями в минералогическом составе илистой фракции почв. Максимальное содержание обменной формы l37Cs наблюдалось в дерново-подзолистой почве, минимальное - в черноземах. Выявлено, что доля фиксированной

117 формы Cs тесно коррелирует с содержанием вермикулита в почве.

Впервые для широкого набора почв были определены значения потенциала селективной сорбции ,37Cs. Установлена значительная вариабельность в значениях RJP между различными почвами - различия составляли 12,8 раза. Минимальными значениями RIP характеризовались торфяная и дерново-подзолистая почвы, а максимальными -лугово-черноземная почва. Такая существенная разница в значениях RIP обусловлена различием в содержании глинистых минералов и разной степенью их выветривания. На основе теоретического представления о процессах сорбции и фиксации 137Cs почвами было выдвинуто предположение о том, что величина RIP связана с содержанием тонкодисперсной фракции почв. Проведенный регрессионный анализ подтвердил справедливость выдвинутой гипотезы - установлена линейная зависимость между значениями RIP(K) и относительным содержанием в почве илистой фракции.

117

Зависимость поведения Cs в почвах от содержания его химического аналога калия является хорошо известным фактом. Однако, количественно данная зависимость практически не изучена. Исходя из разработанного нами методологического подхода, определяющим ведущую роль в подвижности радионуклидов процессов, протекающих между ППК и почвенным раствором, для широкого набора почв был определен состав

117 почвенного раствора и, в первую очередь, концентрация в нем конкурирующих с Cs ионов К+ и NH4+. Показано, что преобладающим катионом в почвенном растворе во всех исследуемых почвах является К+. Максимальной концентрацией К+ в почвенном растворе характеризовались торфяная и дерново-подзолистая почвы, минимальной - почвы черноземного ряда. Впервые на основании измеренных концентраций К+ в почвенном растворе для широкого набора почв рассчитаны значения концентрационного фактора

117

CF), характеризующего подвижность Cs в системе почвенный раствор-растение в зависимости от концентрации К+ в почвенном растворе. Показано, что при увеличении концентрации К+ в почвенном растворе значения концентрационного фактора снижаются. Минимальными значениями CF характеризовались дерново-подзолистая и торфяная и лугово-черноземная почвы. Максимальными значениями CF характеризовались почвы черноземного ряда.

Таким образом, проведенные экспериментальные исследования показали, что

117 подвижность Cs в почвах определяется комплексом показателей, в первую очередь, свойствами почв. Свойства почв, в свою очередь, влияют на показатели подвижности радионуклида. Использование для описания поведения 137Cs какого-либо одного количественного параметра не является достаточным. Кроме того, многие из используемых количественных параметров, определяются одними и теми же факторами или процессами и являются взаимозависимыми. В связи с эти был разработан комплексный показатель доступности А, который оценивается на основании как основных почвенных характеристик, влияющих на поведение l37Cs (содержание илистой фракции, ее минералогический состав, концентрация К+ в почвенном растворе), так и ведущих параметров его подвижности в системе почва-растение (содержание обменной формы ,37Cs в почве, потенциал селективной сорбции I37Cs (RIP) почвы, коэффициент

117 распределения Cs (Ко) в системе почва-почвенный раствор, концентрационный фактор

117

CF), показатель перехода Cs в системе почвенный раствор-растение). Значения параметра А были впервые оценены для широкого набора почв. Параметр А варьировал в широких пределах - от 0,47 до 8,35. Высокие значения параметра А свидетельствуют о высокой подвижности 137Cs в почве (дерново-подзолистая, торфяная почва), низкие значения параметра А свидетельствуют о минимальной подвижности 137Cs в почве, и, соответственно, о низкой доступности 137Cs растениям.

Установлена прямая линейная зависимость между значениями комплексного параметра подвижности А и коэффициентами накопления 137Cs в растениях из почв различных типов. Было предложено уравнение для прогнозирования коэффициентов

117 накопления Cs растениями на основе комплексного параметра биологической

117 доступности Cs (А). В это уравнение был включен также коэффициент пропорциональности В, определяющий влияние биологических особенностей растений на

117 поглощение Cs.

На основании предложенного методологического подхода были также исследованы и описаны процессы, определяющие поведение 90Sr в почвах и обоснован перечень необходимых показателей подвижности.

Результаты, полученные при проведении модельного эксперимента, показали, что свойства почв определяют высокую вариабельность накопления905г в растениях. Коэффициенты накопления радионуклида различались в 9,6 раза для проростков ячменя и в 6,6 раза для проростков люпина. Максимальные КН наблюдались на дерново-подзолистой почве, а минимальные на торфяной почве, типичном и обычном черноземах. Известно, что 90Sr характеризуется высокой подвижности и слабо фиксируется почвами. Этот факт был подтвержден в наших исследованиях при изучении состояния радионуклида в почвах различных типов - содержание обменной формы 90Sr варьировало в пределах от 60 до 90%. Максимальное содержание обменной формы 90Sr получено в дерново-подзолистой почве, а минимальное - в почвах черноземного ряда (лугово-черноземная почва обыкновенный, типичный и выщелоченный черноземы). Наши данные, таким образом, подтвердили результаты многочисленных исследований, проведенных как в полевых, так и в лабораторных экспериментах.

Хорошо известным фактом является зависимость поведения 90Sr в почвах от содержания его химического аналога кальция. Исследования В.М. Клечковского с соавторами установили количественные связи между содержанием обменного кальция в почве и накоплением 90Sr растениями. Однако, влияние на поведение 90Sr наиболее подвижного кальция, содержащегося в почвенном растворе, до настоящего времени количественно не описано. Исходя из разработанного нами методологического подхода, определяющим ведущую роль в подвижности радионуклидов процессов, протекающих между ППК и почвенным раствором, для широкого набора почв был определен коэффициент селективности KcC°S г/Са), который оценивает распределение конкурирующих катионов 90Sr и Са между обменными участками почвы и почвенным раствором. Показано, что величина коэффициента селективности варьирует для почв различных типов, вследствие различной природы обменных участков, которая сказывается на относительной адсорбции этих двух катионов. Значения Кс (90Sr/Ca) для изучаемых минеральных почв варьировали в пределах от 1,3 до 2,5. Для торфяной почвы Ac(90Sr/Са) был минимальным и равен 1,1. При анализе экспериментальных данных была выявлена положительная связь величины Ac(90Sr/Ca) с соотношением содержания гумуса и илистой фракции в почве, что свидетельствует влиянии на адсорбцию 90Sr органической составляющей почвенного поглощающего комплекса.

Таким образом, рассмотренные количественные параметры (коэффициенты накопления, содержание форм 90Sr, коэффициенты селективности) позволяют количественно оценить подвижность 90Sr в почвах и влияние на нее различных факторов. Для комплексной оценки влияния физико-химических характеристик почвы на подвижность 90Sr в почве и его доступность растениям был предложен параметр биологической доступности 90Sr (А). Данный параметр является комбинированной характеристикой свойств почвы (в частности, содержания кальция в почвенном растворе) и показателей подвижности 90Sr в почве (содержания обменной формы 90Sr, коэффициента селективности обмена пары 90Sr-Ca ). Значения параметра биологической доступности 90Sr для разных типов почв различались в достаточно широком диапазоне - от 1,3 до 10,4. Максимальными значениями параметра А отличались светло-серая лесная и дерново-подзолистая почвы, что свидетельствует о высокой подвижности 90Sr в данных почвах. Относительно низкими значениями параметра А характеризовались почвы черноземного ряда, а также каштановая и торфяная почвы - от 1,3 до 2.2, что указывает на относительно невысокую подвижность радионуклида.

Установлено, что параметр биологической доступности 90Sr в почве (А) линейно связан с коэффициентом накопления 90Sr растениями из почв различных типов. Эта зависимость была описана в виде уравнения (КН=АВ), в основу которого входит параметр биологической доступности 90Sr. Коэффициент В характеризует влияние на накопление 90Sr биологических особенностей растения. Это уравнение позволяет прогнозировать накопление Sr на основании свойств почв, которые определяют величину параметра А. Величина коэффициента В является константой. Нами на основании литературных данных были рассчитаны значения коэффициента В для различных сельскохозяйственных культур.

Предложенный в работе методологический подход, основанный на изучении механизмов биологической подвижности радионуклидов в системе почва-растение, может быть использован при оценке эффективности применения агромелиорантов для снижения накопления радионуклидов в растениях. Возможность использования предложенных подходов основана на том факте, что действие агромелиорантов заключается в изменении свойств почв и, как следствие, в изменении показателей подвижности радионуклидов.

Проведенные полевые исследования миграции Cs в системе дерново-подзолистая почва - озимая рожь при внесении минеральных удобрений (азотных в виде аммиачной селитры; фосфорных в виде двойного суперфосфата и возрастающих доз калийных удобрений) показали, что внесение только азотно-фосфорных удобрений приводит к повышению подвижности 137Cs (увеличению КН), что обусловлено мобилизацией 137Cs с обменных мест на ППК ионами NHA Внесение калийных удобрений приводит к увеличению концентрации К+ в почвенном растворе. Внесение дополнительного количества К+ в почвенный раствор приводит к снижению содержания обменной формы 137Cs. Наблюдаемое усиление фиксации 137Cs почвой при внесении калийного удобрения может быть вызвано явлением межслоевого коллапса кристаллической решетки глинистых минералов.

При внесении калийных удобрений наблюдаются заметные изменения значений потенциала селективной сорбции 137Cs (RIP). Это также можно объяснить явлением межслоевого коллапса, в результате которого происходит трансформация кристаллической решетки глинистого минерала (уменьшение межпакетного расстояния) из одной структуры в другую. В результате на расширенных краях глинистых частиц образуются новые обменные места с другими селективными свойствами.

При внесении калийных удобрений изменялась величина концентрационного фактора, рассчитанного на основе концентрации К+ в почвенном растворе. Показано, что значения CF снижались прямо пропорционально увеличению концентрации К+ в почвенном растворе.

Для описания механизмов поведения ,37Cs в системе почва-растение, а также для анализа данных, полученных в результате полевого эксперимента, был использован комплексный параметр биологической доступности 137Cs (А), включающий в себя

1 чч показатели подвижности Cs в системе почва-растение.

Установлено, что под действием калийных удобрений происходит изменение параметра биологической доступности (А) в сторону снижения. Проведенные

117 исследования миграции Cs в системе почва-растение в результате внесения удобрений

117 показали, что накопление Cs в растениях линейно связано с параметром биологической доступности 137Cs (А). Было предложено прогностическое уравнение для расчета коэффициента накопления I37Cs растениями на основе параметра биологической доступности ,37Cs (А) в системе почва-растение и коэффициента пропорциональности В, определяющего биологическую особенность растения.

При применении отдельных видов мелиорантов (например, калийных удобрений) механизм их действия достаточно просто описывается на основании оценки влияния

117 ионов калия на поведение Cs. При комплексном применении агромелиорантов роль отдельных процессов не всегда удается вычленить, в связи с этим применение параметра биологической доступности (А) позволяет оценить результирующую нескольких механизмов действия мелиорантов. Этот показатель был использован для оценки действия комплекса мелиорантов на подвижность и биологическую доступность 90Sr.

Результаты многофакторного полевого опыта по изучению действия минеральных удобрений, навоза, известкования и их комбинаций на биологическую подвижность 90Sr в системе дерново-подзолистая почва - овес показали, что наибольший эффект на снижение коэффициента накопления 90Sr в зерне овса оказало внесение полного минерального удобрения (N30P20K30) на фоне применения навоза (30 т/га) и известкования (9 т/га), а также внесение калийных удобрений (К60) на фоне известкования (6 т/га). В данных вариантах КН уменьшился относительно контроля в 1,7-1,9 раза, соответственно. В этих же вариантах опыта произошло максимальное снижение доли обменной формы 90Sr в 1,51,2 раза, соответственно.

С позиции почвенной химии для описания процессов, протекающих в системе почва-растение в условиях полевого опыта, использовался параметр биологической доступности 90Sr (А), который является комбинированной характеристикой почвы.

Установлено, что под действием мелиорантов происходит изменение параметра биологической доступности (А) в сторону снижения. Проведенные исследования миграции 90Sr в системе почва-растение в результате внесения мелиорантов показали, что накопление 90Sr в растениях линейно связано с параметром биологической доступности 90Sr (А). Было предложено прогностическое уравнение для расчета коэффициента накопления 90Sr растениями на основе параметра биологической доступности 90Sr (А) в системе почва-растение и коэффициента пропорциональности В, определяющего биологическую особенность растения.

Таким образом, проведенные исследования по изучению подвижности радионуклидов в почвах различных типов показали, что поведение 90Sr и ,37Cs в почвах определяется различными процессами. Для 90Sr характерны обменные процессы взаимодействия с 1111КГ на которые влияют разные почвенные параметры - содержание обменного кальция, содержание илистой фракции, содержание органического вещества. Для 137Cs, наоборот, характерны процессы селективной сорбции и фиксации в почве и основными почвенными характеристиками его подвижности являются - концентрация К+ и NH/ в почвенном растворе, содержание илистой фракции и ее минералогический состав. Эти различия определяют различный набор количественных показателей для характеристики подвижности:

90Sr - содержание обменной формы 90Sr в почве; коэффициент селективности обмена пары 90Sr/Ca; коэффициент накопления 90Sr растениями.

137Cs - содержание обменной формы 137Cs в почве; потенциал селективной сорбции 137Cs почвами (RIP); коэффициент распределения 137Cs в системе почва-почвенный раствор (KD); концентрационный фактор (CF), показатель перехода 137Cs в системе почвенный раствор-растение.

В том случае если одинаковые показатели различия в механизмах проявлются в различия величин - например - обменная форма (60-90%) - (1-10%).

Описание механизмов поведения - это основа для понимания механизмов действия агромелиорантов - изменение свойств почв - изменение подвижности - а как следствие положительный эффект - снижение уровней загрязнения продукции.

Библиография Диссертация по биологии, кандидата биологических наук, Сысоева, Анастасия Анатольевна, Обнинск

1. ГЛАВА 6. ИССЛЕДОВАНИЕ МЕХАНИЗМОВ ДЕЙСТВИЯ АГРОМЕЛИОРАНТОВ НА БИОЛОГИЧЕСКУЮ ПОДВИЖНОСТЬ 90Sr И ,37Cs

2. Изучение биологической подвижности ,37Cs в системе почва-растение в результате внесения минеральных удобрений в условиях полевого опытаа лч

3. Cs характеризуется повышенным закреплением в почве и его основным конкурирующим ионом за места сорбции в почве является калий, поэтому основным приемом, направленным на снижение перехода ,37Cs из почвы в растение, является внесение калийных удобрений.

4. Для изучения поведения 137Cs в системе почва-растение в результате внесения минеральных удобрений было проведено исследование на основе полевого эксперимента, заложенного на Новозыбковской сельскохозяйственной опытной станции ВИУА.

5. Действие агромелиорантов на биологическую подвижность 137Cs в почвах обусловлено изменением состава почвенного раствора, а также физико-химических характеристик почвы.

6. Алексахин P.M. Радиоактивное загрязнение почвы и растений. М.: Изд. АН СССР, 1963. 132 с.117

7. Алексахин P.M., Моисеев И.Т., Тихомиров Ф.А. Агрохимия Cs и его накопление сельскохозяйственными растениями // Агрохимия. 1977. № 2. С. 129-142.

8. Алексахин P.M., Моисеев И.Т., Тихомиров Ф.А. Поведение 137Cs в системе почва-растение и влияние внесения удобрений на накопление радионуклида в урожае // Агрохимия №8. 1992. С. 127.

9. Анненков Б.Н., Юдинцева Е.В. Основы сельскохозяйственной радиологии М.: Агропромиздат, 1991. 287 с.

10. Аринушкина Е.В. Руководство по химическому анализу почв. М.: МГУ, 1970,- 487 с.

11. Архипов Н.П., Федоров Е.А., Алексахин P.M., Бондарь П.Ф., Кожевникова Т.Л., Суслова В.В. Почвенная химия и корневое накопление искусственных радионуклидов в урожае сельскохозяйственных растений // Почвоведение, 1975. №11. С. 40-52.

12. Архипов А.Н. Поведение 90Sr и 137Cs в агроэкосистемах зоны отчуждения Чернобыльской АЭС: Автореф. дисс. на соиск. уч. ст. к.б.н. Обнинск. 1995. 26 с.117

13. Бакунов Н.А. К вопросу о накоплении Cs в растениях и специфике его поведения в почвах//Агрохимия, 1989. №5. С.94-99.

14. Водовозова И.Г., Погодин Р.И. Влияние органического вещества на переход радиоактивных изотопов в растения. Тезисы докладов конференции «Радиоактивные изотопы в почвенных и пресноводных системах» Свердловск. 1969. С.29.

15. Горина Л.И. Накопление радиоцезия сельскохозяйственными культурами в зависимости от свойств почв и биологических особенностей: Автореф. дисс. на соиск. уч. ст. к.б.н. -М.: Почвенный ин-т, 1976. 16 с.

16. Громов В.В. Десорбция микроколичеств стронция и цезия с монтмориллонита и каолинита // Ж. Физ. Химии. 1960. С. 25-31.

17. Гулякин И.В., Юдинцева Е.В. Накопление осколочных элементов в урожае различных растений в зависимости от свойств почвы // Изв. ТСХА. 1959. Вып. 6. С. 46-49.

18. Гулякин И.В., Юдинцева Е.В., Левина Э.М. Влияние почвообразующих минералов на поступление 90Sr в растения // Агрохимия. 1966. №3. С. 109-115.

19. Гулякин И.В., Юдинцева Е.В., Соколова С.Д. Накопление 137Cs и 90Sr в растениях при выращивании их в полевых и вегетационных опытах// Агрохимия. 1977. №10. С.118-124.

20. Гулякин И.В., Юдинцева Е.В. Сельскохозяйственная радиобиология. М., Колос. 1973.

21. Гулякин И.В., Юдинцева Е.В., Мамонтова Л.А., Левина Э.М. Влияние извести, торфа и золы торфа на накопление изотопов стронция и цезия в урожае сельскохозяйственных культур//Агрохимия. 1978. №5. С. 109-115.

22. Гулякин И.В., Юдинцева Е.В., Жигарева Т.Л., Сидорова Е.Д. Поступление стронция-90 в растения в зависимости от применения минеральных удобрений //Агрохимия. 1978. №4. С.112-117.

23. Заболотный А.И. Распределение цезия-137 и калия-40 в органах люпина, озимой ржи, ячменя в онтогенезе // Третья всесоюзная конференция по с/к радиологии, т.1, Обнинск, 1991. С. 49.

24. Иванов С.Н., Шагалова Э.Д., Шифрина С.С. // Почвоведение. 1976. №12. С. 110-116.

25. Кашпаров В.А., Иванов Ю.А., Зарич С.И., Процак В.П., Хомутинин Ю.В., Пазухин Э.М. Определение скорости растворения чернобыльских топливных частиц в естественных условиях. Радиохимия. 1997. Т.39. Вып.1. С. 71-76.

26. Клечковский В.М., Гулякин И.В. Поведение в почвах и раститениях микроколичеств стронция, цезия, рутения и циркония //Почвоведение. 1958. №3. С. 1-12.

27. Климашевский Э.Л. Генетический аспект минерального питания растений. М.: Агропромиздат, 1991.415с.

28. Клечковский В.М., Федоров Е.А., Архипов Н.П., Романов Алексахин

29. Февралева Л.Т. Закономерности почвенного и аэрального поступления радиоактивного стронция в сельскохозяйственные растения // Почвоведение. 1973. №5. С. 38-47.272 с.

30. Кокотов Ю.А., Русаков Ф.Ф, Урбанюк А.П. Влияние рН и концентрации солей на сорбцию 90Sr некоторыми почвами. Труды конф. По радиационной гигиене. 1960.

31. Корнеев Н.А., Фирсакова С.К., Малышева М.Р. Поступление стронция-90 в луговые травы из почв различных типов нечерноземной зоны//Почвоведение. 1975. №11. С. 53-59.

32. Коноплев А.В., Булгаков А.А. Обменный коэффициент распределения 90Sr и 137Cs в системе почва-вода// Атомная Энергия. Т.88. Вып. 2. Февраль 2000. С. 152-158.

33. Коноплев А.В., Коноплева И.В. Определение характеристик равновесной селективной сорбции радиоцезия почвами и донными отложениями // Геохимия. 1999. №2. С. 1-8.

34. Ковба JI.H., Трунов В.К. Рентгеноструктурный анализ. М.: МГУ, 1976. 180 с.

35. Крутова Г.И., Козаков В.И. Методические указания по исследованию глинистых минералов методом дифрактометрии // М.: УДН. 1984.

36. Кузнецов В.К., Санжарова Н.И., Алексахин Р.М, Анисимов В.С, Абрамова О.Б. Влияние фосфорных удобрений на накопление 137Cs сельскохозяйственными культурами // Агроэкология. 2001. №9. С. 47-53.

37. Лютге У., Хигинботан Н. Передвижение веществ в растениях. М.: Колос, 1984.-408с.

38. Маракушин А.В., Федоров Е.А. Накопление стронция-90 полевыми культурами при различных условиях возделывания // Агрохимия №8. 1978. С. 125-128

39. Моисеев И.Т., Тихомиров Ф.А., Рерих JI. А. Влияние сортовых особенностей пшеницы117и гороха на накопление Cs и калия в урожае // Вестник МГУ, сер. Почвоведение №3. 1977. С. 105-109.

40. Моисеев И.Т., Тихомиров Ф.А., Рерих Л.А., Чижикова Н.П. Формы соединений радионуклидов в почвах и их трансформация // Агрохимия, 1981. №1. С. 110-113.

41. Моисеев И.Т., Тихомиров Ф.А.,Мартюшов В.З., Рерих JI.A. К оценке влияния минеральных удобрений на динамику обменного 137Cs в почвах и доступность его овощным культурам // Агрохимия №5. 1988. С. 86-92.

42. Моисеев И.Т., Агапкина Г.И., Рерих JI.A. Изучение поведения 137Cs в почвах и его поступление в сельскохозяйственные культуры в зависимости от различных факторов // Агрохимия, 1994. №2. С. 103-118.F

43. Методические указания по определению содержания стронция-90 и цезия-137 в почвах и растениях // Центральный институт агрохимического обслуживания сельского хозяйства МСХ СССР (ЦИНАО). 1985. 64 с.

44. Некрасов Б.В. Основы общей химии. T.I. М: Химия, 1973. С.210.

45. Орлов Д.С. Химия почв: Учебник.- М.; Изд-во МГУ. 1992. 400 с.Ч

46. Павлоцкая Ф.И., Зацепина Л.Н., Трюканова Э.Б., Баранов В.И. О подвижности и формах нахождения 90Sr, стабильного Sr и Са в дерново-подзолистой и черноземных почвах. М.: Наука. 1965.

47. Павлоцкая Ф.И. Миграция радиоактивных продуктов глобальных выпадений в почвах М.: Атомиздат, 1974. 216 с.

48. Поляков Ю.А. Радиоэкология и дезактивация почв. М., Атомиздат. 1970. 304 с.

49. Почвоведение / Под редакцией И.С. Кауричева. М.: Агропромиздат, 1989. 719 с.

50. Прохоров В.М. Миграция радиоактивных загрязнений в почвах. Физико-химические механизмы и моделирование / Под ред. P.M. Алексахина. М.: Энергоиздат, 1981. 98с.

51. Пристер Б.С., Лощилов Н.А., Немец О.Ф., Поярков В.А Основы сельскохозяйственной радиологии. Киев, 1991.

52. Пристер Б.С., Омельяненко Н.П., Перепелятникова Л.В. Миграция радионуклидов в почве и переход в растения в зоне аварии на Чернобыльской АЭС // Почвоведение. 1990. № 10. С. 51-60.

53. Пущаровский Д.Ю, Урусов B.C. Структурные типы минералов // М.: МГУ.1990. 176 с.

54. Рентгенография основных типов породообразующих минералов//Под рад В. А. Франк-Каменецкого Л.: Недра, 1983. 234 с.

55. Самойлова Е.М. Почвообразующие породы. М.: Изд-во МГУ, 1992. 176с.

56. Санжарова Н.И. Радиоэкологический мониторинг агроэкосистем и ведение сельского хозяйства в зоне воздействия атомных электростанций: Автореф. дисс. на соиск. уч. ст. дбн. Обнинск, ВНИИСХРАЭ, 1997. 52 с.

57. Сельскохозяйственная радиоэкология / Под редакцией Алексахина P.M., Корнеева Н.А. М.: Экология, 1992. 400 с.

58. Спицын В.И., Громов В.В. Поглощение 90Sr минералами // Почвоведение, 1959. №12.

59. Соколик А.И., Демко Г.Г., Горобченко Н.Е., Юрин В.М. Основные механизмы

60. Радиоэкология, 1997. №37. Вып. 5. С. 787-795.

61. Суркова JI.B., Погодин Р.И. Состояние и формы нахождения цезия-137 в почвах различных зон аварийного выброса ЧАЭС//Агрохимия. 1991. №4. С. 84-86.

62. Тимофеева Н.А. К вопросу о миграции радиостронция в биогеоценозах. Долкл. АН СССР. 1960. Т. 133. №2.

63. Юдинцева Е.В., Гулякин И.В. Агрохимия радиоактивных изотопов стронция и цезия -М.: Атомиздат, 1968. 472 с.

64. Юдинцева Е.В., Гулякин И.В., Фоломкина З.М. Поступление в растения 90Sr и 137Cs в зависимости от сорбции их механической фракцией почв // Агрохимия. 1970. №2. С.101-104.

65. Юдинцева Е.В., Жигарева Т.Л., Левина Э.М., Соколова С.Д., Сидорова Е.Д. Изменение доступности радионуклидов растениям при химизации сельского хозяйства // Агрохимия. 1982. №5. С.82-88.

66. Юдинцева Е.В., Левина Э.М. О роли калия в доступности 137Cs растениям // Агрохимия №4. 1982. С. 75-81.

67. Юдинцева Е.В., Жигарева Е.В., Павленко Л.И. Формы стронция и цезия в дерново-подзолистой почве при известковании и применении удобрений // Почвоведение. 1983. №9. С.41-46

68. Фирсакова С.К., Тимофеев С.Ф., Шумилин В.А., Тимофеев А.С., Подоляк А.Г. Накопление 90Sr полевыми культурами в условиях радиоактивного загрязнения сельскохозяйственных угодий // Радиационная биология. Радиоэкология. 2002. Т. 42. №3.

69. Absalom, J.P., Young, S.D., Crout, N.M.J Radio-caesium fixation dynamics: measurment in six Cumbrian soils // European Journal of Soil Science. 1995. V.46. P. 461-469.

70. Absalom, J.P., Crout, N.M.J., Young, S.D. Modelling radiocaesium fixation in upland organic soils of northwest England // Environ. Sci. Technol. 1996. V.30. P. 2735-2741.

71. Bolt, G.H., Sumner, M.E., Kamphorst A.A. Study of equilibria between three categories of potassium in an illitic soil // Soil Sci. Soc. Amer. Proc. 1963. V.27. P. 294-299.

72. Bulgakov A.A., Konoplev A.V. Diffusional modelling of radiocaesium fixation by soils II Radiation Protection Dosimetry. 1996. V.64. N1/2. P. 11-13.1. C. 45.поступления Cs в корневую систему растений // Радиационная биология.1. С. 345-351.

73. Brouwer E., Baeyens В., Maes A., Cremers A. Cesium and rubidium ion equilibrium in illite .clay//J. Phys. Chem.1983. V.87. P. 1213-1219.

74. Briggs, G.E. Some aspects of free space in plant tissues // New Phytol. 1957. V.56. P.305-324.

75. Buysse J., Van den Brande K., Merckx R. Genotypic differences in the uptake and distribution of radiocaesium in plants// Plant and Soil. 1996. V.178. P. 265-271.

76. Cline, J.F. Ageing effects of the availability of strontium and caesium to plants // Health Physics. 1961.V.4. №2. P. 293-296.

77. Cremers A., Elsen A., De Preter P., Maes A. Quantitetive analysis of radiocaesium retention in soils // Nature. 1988. V.335. № 6187. P. 247-249

78. Clarkson D.T. Calcium transport between tissues and its distribution on the plant // Plant Cell and Environ. 1984. V. 7. P. 745-750.

79. Coffman, C.B., Fanning D.S. Vermiculite determination on whole soils by cation exchange capacity methods // Clays. Clay Minerals. 1974. V.22 P. 271-283.

80. Cline J.F., Hungate P. Accumulation of potassium, 137Cs and ®6Rb in bean plants, grown in nutrient solutions//Plant Physiology. 1960. V.35. P. 826-829.

81. Clarkson D.T. // Plant Cell and Environ. 1984. V. 7. P. 745-750.

82. De Preter P. Radiocaesium retention in the aquatic, terrestrial and urban environment: a quantitative and unifying analysis. PhD Thesis, K.U., Leuven, Belgium, 1990. 93pp.

83. Hird, A.B., Rimmer D.L., Livens F.R. Total caesium-fixing potentials of acid organic soils // Journal of Environmental Radioactivity 1995. V.26. P. 103-111.

84. Heald W. Characterization of exchange reactions of strontium or calcium on four clays // Soil Sci. Soc. Amer. Proc. 1960. V.24. P. 360-363.

85. Heandley R., Overstreet R. Effect of various cations upon absorption of carrier free caesium // Plant Physiology. 1961. V.36. P. 66-69.

86. Evans D.W., Alberts J.J., Clark R.A. Reversible ion-exchange fixation of caesium-137 leading to mobilization from reservoir sediments // Geochim acta. 1983. V.47. P.1041-1049.

87. Frissel M.J., Polestra P. The theoretical approach to the movement of strontium through soils // Soil Science. 1964. V.98. №4. P. 232-238.

88. Jacobs, D.J. Cesium exchange properties of vermiculite // Nuclear science and engineering. 1962. №12. P. 285-292.

89. Jackson, M.L., Lim C.H., Zelazny L.W. Oxides, hydroxides and aluminiosilicates. In A. Kiute (ed.) Methods of soil analysis. Part 2. 2nd ed. Agronomy 9. 1986. P. 101-105

90. Juo A.S.R., Barber S.A. // Soil Sci. Soc. Amer. Proc. 1969. V.33. P.360-363.

91. Kinnburgh D.G., Jackson M.L., Cation adsorption by hydrous metal oxides and clay // Adsorption of inorganics at solid-liquid interfaces (Eds. M.A. Anderson, A.J. Rubin). Ann. Abor Science, 1981.

92. Kielland J. Individual activity coefficients of ions in aqueous solution // J. Amer. Chem. Soc. 1937. V. 59. P. 1675-1678.

93. KrougIov S. V., Filipas A.S., Alexakhin R.M., Arkhipov N.P. Long-Term Study on the transfer of 137Cs and 90Sr from Chernobyl-Contaminated Soils to Grain Crops // J. Environ. Radioactivity. 1997. V. 34. №3. P. 267-286.

94. Krouglov S. V., Kurinov A.D., Alexakhin R.M. Chemical fractionating of 90Sr, 106Ru, 137Csvand 144Ce in the Cernobyl-contaminated soils—An evolution in a course of time // J. Environ. Radioactivity. 1997. V. 38. №1. P. 59-76.

95. Khasawneh F.E., Juo A.S.R., Barber S.A. Soil properties influencing differential Ca to Sr adsorption//Soil Sci. Soc. Amer. Proc. 1968. V.32. P.209-211.

96. Keren R., O'Connor G.A. // Soil Science . 1983. V.135. №5. P. 308-315.

97. Maes, E., Iserentant, A., Herbatus, J. and Devaux, B. Influence of the nature of clay minerals on the fixation of radiocaesium traces in an acid brown earth-podzol weathering sequence // European Journal of Soil Science. 1999. V.50. P. 117- 125.

98. Menzel R.G., Heald W.R. Distribution of potassium, rubidium, cesium, calcium and strontium within plants grown in nutrient solutions // Soil Science. 1954. V.70. P.287-293.

99. Mouat. M.C.H Interspecific differences in strontium uptake by pasture plants as a98. function of root cation-exchange capacity//Nature. 1960. V.188. P.513-514.

100. Nisbet A.F., Woodman R.F.M Soil-to-plant transfer factors for radiocaesium and100. radiostrontium in agricultural systems // Health Physics. 2000. V.78. №3. P. 279-288.

101. Nishita H., Taylor P. Influence of stable Sr and Ca on 90Sr and 45Ca in soil and clay minerals // Soil Science, V.98. 1964.

102. Nishita H., Dixon D., Larson K.H. Accumulation of Cs and К and growth on bean plants in nutrient solutions and soils//Plant and soil. 1962. V. 17(2). P. 221-242.

103. Prister B.S., Belli M., Sanzharova N.I. Behaviour of radionuclides in meadows including countermeasures application // The radiological consequences of the Chernobyl accident. 1996. P. 59-68

104. Roca M. C., Vallejo V.R., Roig M., Tent J., Vidal M., Rauret G. Prediction of cesium-134 and strontium-85 crop uptake based on soil properties // J. Environ. Qual. 1997. V. 26. P. 1354-1362.

105. Ross, G.J., Schuppli, P.A and Wang, C. Quantitative determination of vermiculite by a rubidium fixation method // Soil Sci. Soc. Amer. J. 1989. V.53. P.1588 1589.

106. Г E.M. Influence of calcium on plant uptake of and stable Sr // Soil Science.1959. V.87. P. 160-165.

107. Sanzharova N.I., Belli M., Arkhipov A.N. Radionuclide transfer to meadow plants // The radiological consequences of the Chernobyl accident. 1996. P. 72-74

108. Sentenac H., Grignon C. A model for predicting ionic equilibrium concentrations in the cell walls//Plant Phisiol. 1981. V. 68. P. 415-419.

109. Sheppard M.J. Radionuclide partitioning coefficients in soils and plants and their correlation // Health Phys. 1985. 49. -№1. P. 106-111.

110. Sawhney B.L. Selective sorption and fixation of cations by clay minerals: A review // Clays and Clay Miner. 1972. V.20. P. 93-100.

111. Smolders E., Sweeck L., Merckh R. Caesium uptake in spring wheat (Triticum aestivum L. Cv Tonic) at varying К supply // Plant and soil. 1996a. V. 181. P. 205-209.

112. Smolders E., Van den Brande K., Merckhx R. Concentrations of ,37Cs and К in soil solution predict the plant availability of Cs in soils // Environ. Sci. Technol. 1997b. V.31. P. 3432-3438.

113. Valcke E. The behaviour dynamics of radiocaesium and radiostrontium in soils rich in organic matter. Ph.D. Thesis, U.K., Leuven, Belgium, 1992. 135 p.

114. Valcke E., Vidal M., Cremers A., Ivanov J., Perepelyatnikov G. The use of colites as amendments in radiocaesium and radiostrontium contaminated soils: A soil-chemical approach //

115. Van der Marel., H.W. Potassium fixation in Dutch soils: mineralogical analyses // Soil Sci. 1954. V.78. №3. P.163-166.

116. Waegeneers N., Camps M., Smolders E., Merckh R. Genotypic effects in phytoavailability of radiocaesium are pronounced at low К intensities in soil // Plant and soil. 2001. V. 235. P. 11-20.

117. White P. J., Broadley M.R. Mechanisms of caesium uptake by plants // New Phytol. 2000. V. 147. P. 241-256.

118. Zhu Y.-G., Smolders E. Plant uptake of radiocaesium: a review of mechanisms, regulations and application // Journal of experimental botany. 2000. V.51. № 351. P. 1635-1645.

119. Zhu Y.-G., Shaw G., Nisbet A.F., Wilkins B.T. Effect of potassium starvation on the uptake of radiocaesium by spring wheat // Plant and Soil. 2000. V.220. P. 27-34.