Изучение накопления стронция-90 в зерне и соломе зерновых культур

Изучение накопления стронция-90 в зерне и соломе зерновых культур

РЕФЕРАТ

Курсовая работа.

Ключевые слова: радионуклиды стронция-90, ⁹⁰Sr, радиоактивное загрязнение, коэффициент накопления, накопление ⁹⁰Sr зерновыми культурами, пшеница, овес.

Объект исследования: зерно и солома пшеницы и овса, выращенные на 10 почвах дерново-подзолистой зоны.

Предмет исследования: Влияние биологических особенностей зерновых культур на накопление ⁹⁰Sr в растениях, выращенных на различных видах почв.

Методы исследования: Методика определения стронция-90 в объектах внешней среды (почва, вода, молоко) на основе селективного сорбента. Методические рекомендации по санитарному контролю за содержанием радиоактивных веществ в объектах окружающей среды. Определение стронция-90 Цель курсовой работы: изучение накопления стронция-90 (⁹⁰Sr) в зерне и соломе зерновых культур.

Задачи курсовой работы:

1.      Определить основные показатели (рН, содержание гумуса и способность удерживать внесенный стронций) в 10 разновидностях дерново-подзолистых почв

.        Определить содержание стронция-90 в соломе и зерне пшеницы и овса, выращенных на 10 подготовленных участках почв

Заключение:

1.      При проведении исследований 10 видов почв дерново-подзолистой зоны, было установлено, что прочность закрепления стронция в почве варьирует от 53,1 до 94,8% от количества внесенного. Наименьшее значение определено в образце почвы с наименьшим по всем образцам значением кислотности (рН 4,1). В целом, значения рН варьируют от 4,1 до 7,0, содержание гумуса преобладает на суглинистых почвах.

.        Было выявлено, что в соломе пшеницы и овса накапливается значительно большее количество радиоактивного стронция, чем в зерне. Это обусловлено биологическими особенностями растений.

.        Также установлено, что в образцах почв с минимальным значением рН накопление радиоактивного стронция значительно выше, чем на почвах со слабощелочной реакцией. Известно, что из кислых почв поступление радионуклидов в растения значительно выше. На кислых почвах снижается прочность закрепления радионуклидов почвенно-поглощающим комплексом.

СОДЕРЖАНИЕ

Введение

Глава 1. Обзор литературы

1.1 Количественные характеристики и механизм поступления ⁹⁰Sr в растения и распределение его по растению

1.2 Влияние биологических особенностей зерновых культур на накопление ⁹⁰Sr в растениях

.3 Влияние кислотности почвы и других ее агрохимических показателей на поступление ⁹⁰Sr в растения

2. Экспериментальная часть. Изучение накопления ⁹⁰Sr в зерне и соломе зерновых культур

2.1 Цель, задачи, материал и методика исследований

2.2 Анализ результатов исследований

Заключение

Список использованных источников

ВВЕДЕНИЕ

Чернобыльская катастрофа оказала негативное воздействие на все сферы жизнедеятельности человека, но в наибольшей степени пострадал агропромышленный комплекс. Это обусловлено тем, что авария затронула регионы с высокоинтенсивным сельскохозяйственным производством, а основные загрязненные территории - земли сельскохозяйственного назначения. Потребление сельскохозяйственной продукции один из ведущих источников дополнительного облучения населения. Основной контингент пострадавшего населения - жители сельской местности и дозы внешнего и внутреннего облучения сельских жителей на территории радиоактивного загрязнения в 1,3-4,0 раза выше, чем городского населения [8].

На законодательном уровне загрязненными считаются территории с плотностью загрязнения ¹³⁷Cs 37кБк/м² и выше (1,0 Ки/км² и выше), загрязнения ⁹⁰Sr - 5,55 кБк/м² и выше (0,15 Ки/км² и выше) [8].

Загрязнение земель ⁹⁰Sr носит более локальный, по сравнению с ¹³⁷Cs, характер. В сельскохозяйственном пользовании находится 339,7 тыс. га земель, загрязненных ⁹⁰Sr с плотностью 5,55 кБк/м² и выше, что составляет 4,4 % от общей площади землепользования. В республике, прежде всего в Гомельской области, имеются значительные массивы земель (144,3 тыс. га), загрязненных ⁹⁰Sr с плотностью от 11,47 до 111,00 кБк/м² (0,31-3,00 Ки/км²), где наблюдаются превышения допустимых уровней загрязнения сельскохозяйственной продукции, в первую очередь зерна на продовольственные цели [8].

Это привело к необходимости ведения агропромышленного производства в условиях радиоактивного загрязнения, а также широкого применения защитных мероприятий во всех отраслях сельского хозяйства в течение длительного периода времени [10]. Принимаемые меры позволили в несколько раз снизить объемы производства продукции со сверхнормативным содержанием радионуклидов по сравнению с первым послеаварийным периодом [10]. Сегодня сельскохозяйственное производство на загрязненных радионуклидами землях, а это 1 млн гектаров, ведется согласно научным рекомендациям. Каждые 5 лет уточняются и дополняются «Рекомендации по ведению агропромышленного производства в условиях радиоактивного загрязнения земель Республики Беларусь» [10].

В 2012 году в рамках Государственной программы по преодолению последствий катастрофы на Чернобыльской АЭС на 2011-2015 годы и на период до 2020 года издан ряд рекомендаций, разработанных РНИУП «Институт радиологии», его филиалами, РУП «Институт почвоведения и агрохимии» НАН Беларуси и предназначенных как для специалистов сельского хозяйства, так и для преподавателей и студентов учебных заведений [10].

Известкование кислых почв, внесенных повышенных доз минеральных и органических удобрений, подбор культур и сортов являются наиболее эффективными в комплексе защитных мер. Они, обеспечивая уменьшение перехода радионуклидов из почвы в растения, одновременно направлены на повышение урожайности культур и плодородия почв [6].

стронций зерновой солома почва

ГЛАВА 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

.1 Количественные характеристики и механизм поступления ⁹⁰Sr в растения и распределение его по растению

Способность почв и грунтов сорбировать микроколичества различных радионуклидов оказывает большое влияние на характер миграции радиоактивных выпадений в биологическом круговороте веществ. Сорбция радиоизотопов почвами препятствует их продвижению по профилю почвы, проникновению в грунтовые воды и обусловливает аккумуляцию их в верхних горизонтах почвы. На обрабатываемых почвах радионуклиды задерживаются в основном в пахотном слое, а на естественных лугах, пастбищах, целинных участках земли - обычно в самом верхнем слое почвы (0-5 см) [9].

С точки зрения миграции попавших в почву радионуклидов и их вовлечения в биологический круговорот веществ, процесс поглощения их почвами имеет двоякое значение. Во-первых, сорбция почвами, как правило, снижает размеры поступления радионуклидов в растение. Во-вторых, аккумуляция сорбированных изотопов в верхнем слое почвы, где наиболее распространены корни растений, способствует их поглощению растениями, то есть - большему накоплению в урожае (чем при свободном передвижении изотопов в более глубокие слои почвы или в подпочву) [9].

Различные изотопы по-разному сорбируются почвами, но это часто не оказывает существенного влияния на поступление их в надземную часть растения. Вот почему сорбция почвами оказывает большое влияние на переход этих нуклидов из почвы в растение и накопление их в урожае [9].

Стронций (Sr) - элемент 2 группы периодической системы. Природный стронций относится к микроэлементам и состоит из смеси четырех стабильных изотопов ⁸⁴Sr (0,56 %), ⁸⁶Sr (9,96 %), ⁸⁷Sr (7,02 %), ⁸⁸Sr (82,0 %). По физико-химическим свойствам он является аналогом кальция и в геохимических процессах его спутником. Кларковое содержание в земной коре оценено как 340 · 10⁻⁴ %. Стронций содержится во всех растительных и животных организмах в количестве 10⁻² - 10⁻³ % сухой массы [2].

Поступление радиоактивных продуктов деления в растение и накопление их в урожае обусловливается: физико-химическими свойствами радиоактивных изотопов, биологическими особенностями самих растений,-условиями выращивания и другими факторами [11].

Радиоактивные продукты деления поступают в растение в основном двумя путями:

) непосредственное загрязнение наземных частей растений, находящимися в воздухе радиоактивными частицами; при этом радионуклиды могут адсорбироваться поверхностью тканей и проникнуть внутрь растения;

) радионуклиды, попадающие в почву, могут поступать в растение через корни [11].

Непосредственное загрязнение наземных частей растения обусловлено только теми радионуклидами, которые выпадают из атмосферы на растения в течение вегетационного периода, тогда как поступление через корни зависит от количества радионуклидов в почве [11].

К свойствам радионуклидов, определяющим их распределение между твердой и жидкой фазами почвы, относятся заряд иона и его знак, радиус гидратированного иона, энергия гидратации иона, форма соединений, а также способность к комплексообразованию и гидролизу. Согласно данным В.А. Ковды, ионы элементов, имеющие ионные потенциалы (отношение заряда иона к ионному радиусу) Z/r < 1,4, характеризуются свойствами сильных оснований и мигрируют в катионной форме в виде истинных растворов (Na⁺, К, Rb⁺, Cs⁺, Ra²⁺ и др.). Ионы элементов с параметрами 1,4 < Z/r < 3 (Li⁺, Са²⁺, Sr²⁺, Ва²⁺ и др.) находятся в почве главным образом в катионной форме и в виде истинных растворов, но при увеличении pH могут образовывать труднорастворимые гидроксиды и основные соли, а в присутствии карбонат-ионов - труднорастворимые карбонаты. В этом случае возможна миграция в виде коллоидов и взвесей [9].

Согласно классификации радионуклидов по типу поведения в системе почва-растение по H. В. Тимофееву-Ресовскому с соавторами, Sr²⁺ имеет следующие характеристики:

тип поведения - обменный;

основной механизм закрепления в почве - ионный обмен;

наиболее важный фактор миграции - присутствие в растворе других катионов [9].

Для оценки поступления радионуклидов из почвы в растения используют различные показатели. Наиболее часто используются коэффициенты перехода (Кп), а также коэффициенты накопления или коэффициенты концентрации (Кн) [1].

Коэффициент перехода - это отношение содержания радионуклида в растительной массе к поверхностной активности почвы, коэффициент накопления - отношение содержания радионуклида в растительной массе к содержанию радионуклида в почве.

Коэффициент накопления различными культурами Sr-90 изменяется от 0,02 до 12, Сs-137 - от 0,02 до 1,1 [1].

Иногда используют коэффициент биологического поглощения, который показывает отношение концентрации радионуклида в золе растений к концентрации радионуклида в почве. Скорость миграции радионуклидов в цепи почва-растение зависит от содержания их изотопных и неизотопных носителей. Концентрация неизотопных носителей в почве значительно выше, чем изотопных. Для оценки переноса радиоактивного элемента относительно его стабильного носителя в радиоэкологических цепях используют коэффициент дискриминации, который показывает изменение соотношения радионуклида и его химического аналога при миграции по биологическим цепям, который определяется по формуле:

где С - концентрация цезия-137 или калия в почве и растении.

Подвижность и биологическая доступность радионуклидов в значительной степени обусловлены состоянием и формами нахождения их в почве. Радионуклид в почве может присутствовать в составе как жидкой, так и твердой фазы. В растворе радионуклид может находиться в виде катиона, входить в состав комплексных соединений и коллоидных частиц. В твердой фазе радионуклид находится в обменносорбированном состоянии, т.е. в адсорбционно-десорбционном равновесии с жидкой фазой; может входить в состав нерастворимых соединений или выпавших нерастворимых частиц (например, топливных) или необратимо сорбируется [9].

Закрепление и распределение ⁹⁰Sr в почве в основном определяются закономерностями поведения изотопного носителя - стабильного стронция, а также химического аналога неизотопного носителя - стабильного кальция (Са²⁺) [9].

При рассмотрении ионов ⁹⁰Sr можно выделить три группы:

- ионы, находящиеся в почвенном растворе;

- обменные ионы на поверхности минеральных и органических частиц;

- ионы, входящие в состав практически нерастворимых соединений [9].

Большая часть ⁹⁰Sr (60-90%) находится в почве в обменной форме.

Если при сорбции ¹³⁷Cs решающую роль играет изоморфное замещение в кристаллической решетке глинистых минералов, то для ⁹⁰Sr существенное значение имеет изоморфное замещение в минералах, содержащих кальций и магний - кальцит и известняк (СаС0₃), гипс (CaS0₄*2Н₂0), доломит (CaMg(C0₃)₂) [9].

Поскольку преобладающим механизмом поглощения ⁹⁰Sr твердой фазой почв является ионный обмен, аналогично адсорбции стабильного Sr и Са, то сорбция ⁹⁰Sr твердой фазой почв зависит от присутствия макроконцентраций катионов в растворе. Установлен следующий ряд влияния конкурирующих катионов на сорбцию ⁹⁰Sr твердой фазой почв:

А1³⁺ > Fe³⁺ > Ва²⁺ > Са²⁺ > Mg²⁺ > К⁺ > NH₄⁺ > Na⁺ [9].

На состояние и закрепление ⁹⁰Sr в почвенном поглощающем комплексе большое влияние оказывает состав минеральной части почв. ⁹⁰Sr более прочно закрепляется в почвах с высоким содержанием илистых частиц. Глинистыми минералами почв может быть сорбировано до 99% этого радионуклида. Предпочтительнее ⁹⁰Sr сорбируется такими минералами, как асканит, бентонит, вермикулит, флогопит и гумбрин, в значительно меньшей степени - гидромусковитом и гидрогетитом. Минералы группы монтмориллонита поглощают 92,0-99,9% ⁹⁰Sr, минералы каолинитовой группы - 40-68%, слюды - 71-87%, гидрослюды - 80-88%. Минералы группы кальцита, полевых шпатов, кварца и гипса поглощают 10-50% ⁹⁰Sr [9]. На поведение ⁹⁰Sr оказывает влияние органическое вещество почвы. Распределение и подвижность ⁹⁰Sr в почвах в значительной степени определяется количеством и качественным составом гумуса. Радионуклид присутствует в почвах в основном не в виде индивидуальных соединений с органическими веществами неспецифической природы и собственно гумусовыми кислотами, а в форме сложных комплексов, в состав которых входят также Са, Fe и А1 [9].

Механизмы адсорбции микроконцентраций ⁹⁰Sr по сравнению с ¹³⁷Cs различны. Радиоактивный стронций характеризуется простым и почти полным обменом на поверхностных обменных местах глинистых частиц. Выход радионуклида в почвенный раствор увеличивается и при возрастании выхода Са, так как Sr и Са находятся в растворе в определенном соотношении. Однако распределение ⁹⁰Sr между почвенным раствором и поглощающим комплексом отличается от аналогичного распределения для Са. Отношение ⁹⁰Sr/Ca в почвенном растворе колеблется от 0,49 до 0,78 от соотношения этих ионов в почве, что связано с более прочной сорбцией ⁹⁰Sr по сравнению с Са [9].

Переход радионуклидов из почвы в растения является результатом действия не только почвенно-химического процесса, но и биологического (физиологического), связанного с поглощением радионуклидов, в частности ¹³⁷Cs и ⁹⁰Sr, корневой системой растений из почвенного раствора [9].

Поглощение радионуклида растением первоначально происходит в результате транспорта ионов путем свободной диффузии в объеме клеточной стенки коры корня. Объем клеточной стенки, расположенный кнаружи от плазмаллемы определяется как кажущееся свободное пространство. Единая система клеточных стенок (целлюлозных оболочек) образует апопласт, который распространяется внутрь от слоя клеток, образующих корневые волоски [9].

Катионообменные свойства корня связаны с апопластом. Для заряженных частиц кажущееся свободное пространство включает две составляющие, поскольку часть ионов свободно находится в растворе, а часть связывается фиксированными заряженными центрами в клеточной стенке. Согласно этому различают водное свободное пространство и доннановское свободное пространство. Состав водного свободного пространства идентичен внешнему почвенному раствору. Доннановское свободное пространство образовано посредством связи между собой кристаллических структур веществ целлюлозы, в матрикс которой включены пектиновые вещества, гемицеллюлозы, белки, неорганические катионы и другие соединения. Оно представляет собой совокупность заряженных центров, расположенных в стенке растительной клетки и на внешней стороне плазмаллемы, которое можно определить как корневой обменный комплекс, характеризуемый емкостью катионного и анионного обмена. Между водным свободным пространством (почвенным раствором) и доннановским свободным пространством (корневым обменным комплексом) путем адсорбции и обмена ионов устанавливается динамическое равновесие. Доннановский электропотенциал на границе водной среды и катионообменника обуславливает избирательность поглощения веществ, несущих заряд. Корневой обменный комплекс более активно связывает катионы (особенно двух- и трехвалентные) по сравнению с анионами [9].

⁹⁰Sr²⁺ абсорбируется растением посредством транспортных систем его макроаналога Са²⁺. Транспорт Са²⁺ 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 клеточных стенках корневого обменного комплекса [9]. После поглощения ионы благодаря диффузии легко проникают в «свободное пространство» ткани корневых волосков, затем поступают в проводящие ткани корня путѐм активного переноса, далее ионы проникают в проводящие ткани растения, и осуществляется восходящее движение ионов по сосудистой ткани [11].

Радиоактивные изотопы Sr, как аналоги Са, имеют много сходного в поступлении в растение и распределении по разным его органам. Ионы ⁹⁰Sr при поступлении в растение через корни в относительно больших количествах накапливаются в наземных его органах (таблица 1) [11].

Таблица 1.1 - Накопление ⁹⁰Sr в различных органах растений пшеницы [11].

Закономерность распределения изотопа по органам растений заключается в том, что радионуклиды, поступающие в наземную часть растения, в основном концентрируются в соломе (листья и стебли), меньше - в мякине (колосья, метѐлки без зерна) и относительно мало - в зерне. Поглощение радиоизотопов растениями отстаѐт от нарастания наземной массы и накопление радионуклида на единицу массы сухого вещества с ростом растения снижается, но во время созревания - повышается. Поступление в растения радиоизотопов, как правило, увеличивается с повышением их концентрации в растворе. Максимальное поглощение радионуклидов наблюдается при рН близкой к нейтральной [11].

Переход ⁹⁰Sr из почвы в растение зависит от типа почв. Из почв кислых и обедненных кальцием, легкого гранулометрического состава радионуклиды более интенсивно поступают в растения по сравнению с почвами с высоким плодородием и богатых кальцием [9].

Радиоактивные продукты деления, выпадающие из атмосферы на земную поверхность, могут поглощаться листьями сельскохозяйственных растений и накапливаться в них. Радионуклиды могут проникать в растение через поверхность листьев, перемещаться по всему растительному организму и накапливаться в хозяйственно-ценной части урожая [11].

Выпадение радиоактивных аэрозолей на поверхность растений приводит к накоплению в их наземной массе всей совокупности радионуклидов, в то время как при корневом пути поступления радиоактивных веществ в растение почвенный поглощающий комплекс выступает в роли мощного сорбционного фактора, а корневая система растений является селективным барьером, исключающим поступление в надземную фитомассу биологически инертных элементов [11]. Размеры загрязнения поверхности надземных органов растения радионуклидами, выпадающими из атмосферы, сильно варьируют в зависимости от метеорологических и погодных условий. Кроме того, величина адсорбции радионуклидов зависит от времени выпадения нуклидов, поверхности листьев и ряда других факторов [11].

Содержание ⁹⁰Sr в растениях (при поступлении через листья) составляет сотые доли процента. Накопление радионуклидов в урожае при их поступлении через листья различается в зависимости от биологических особенностей растения. Микроколичества 90Sr ведут себя так же, как и его химический аналог Са [11].

Накопление в растениях радионуклидов при поступлении их через листья происходит в течение всего вегетационного периода. В процессе роста и развития растений повышается содержание нуклидов в урожае, максимум достигается в конце вегетации [11].

Накопление радиоактивных продуктов деления в урожае в значительной мере определяется фазой развития растений, во время которой радионуклиды попадают на листья. При попадании нуклидов в растение на ранних сроках его развития происходит большее их накопление. Большое влияние на передвижение радиоактивных продуктов по растению и накопление их в урожае оказывает возраст листьев, из которых в растения поступают нуклиды. Из молодых листьев они более интенсивно передвигаются по растению, и больше их накапливается в ценной части урожая. Для растений с закрытыми семенами (горох, кукуруза) роль механического загрязнения урожая радионуклидами независимо от срока их выпадения (в твѐрдой фазе) на растения не имеет значения. Зерно гороха и кукурузы при выпадении ⁹⁰Sr на бобы и початок будут практически чистыми [11].

Уровень загрязнения растений радиоактивными нуклидами при прямом попадании на поверхность листьев, стеблей и репродуктивных органов определяется количеством свежих радиоактивных выпадений. Поступление же радиоактивных веществ из почвы через корни в растения зависит от общего количества кумулятивного осадка радионуклидов в почве. Поэтому по мере продолжения глобальных выпадений радиоактивных нуклидов их количество в почве повышается, и степень загрязнения урожая увеличивается из-за поглощения радионуклидов растениями через корни из почвы [11].

Радионуклиды могут поступать в растение в результате подъѐма ветром или дождѐм с почвенного покрова самих радиоактивных частиц или загрязнѐнных частиц почвы. Это явление называется радиоактивным вторичным загрязнением растений. Такой путь поступления в растение радионуклида особенно значим для тех из них, которые прочно фиксируются почвой или мало накапливаются при корневом поглощении растениями [11].

Первым этапом при вторичном загрязнении является подъѐм частиц с подстилающей почвы. Этот процесс оценивают с помощью коэффициента ветрового подъѐма: отношение концентрации радионуклида в воздухе на высоте 1 м к плотности загрязнения поверхности почвы:

К = С(Бк/м³ )/S (Бк/м² ) [11].

На подъѐм почвенных частиц влияет много факторов: скорость движения воздуха над поверхностью почвы, турбулентность, температура, давление, влажность и вязкость воздуха, шероховатость, структура, плотность и влажность почвы, содержание в ней органического вещества и т. п. [11].

Во время проведения сельскохозяйственных работ изменяется интенсивность ветрового подъѐма почвенных частиц (вспашка, посев, боронование, культивация и т. п.). Помимо ветрового воздействия, поверхностное некорневое загрязнение растений почвенными частицами происходит также при забрызгивании нижних частей растения в процессе выпадения дождя. В ряде случаев подъѐм почвенных частиц с брызгами дождя даѐт существенное радиоактивное загрязнение листьев. Ливневый дождь может поднять до 225 т/га почвы (до 2,5 мг почвы на 1 г сырой массы растений). При этом до 90 % частиц почвы, поднимаемых каплями дождя, имеет размер [11].

1.2 Влияние биологических особенностей зерновых культур на накопление ⁹⁰Sr в растениях

На накопление радионуклидов растениями оказывают влияние различные биологические особенности растений, среди которых выделяют эволюционное происхождение растений или филогенез. Растения, имеющие раннее происхождение, накапливают больше радионуклидов, чем растения, возникшие в поздние периоды. По накоплению радионуклидов отделы флоры располагаются в следующем убывающем порядке: лишайники > мхи > папоротники > голосеменные > покрытосеменные.

Различия по накоплению радионуклидов выявлены в пределах классов, семейств и видов. Межвидовые различия могут достигать до 5-100 и более раз. Содержание стронция-90 в расчете на сухое вещество отдельных культур может различаться до 30 раз при одинаковой плотности загрязнения почвы. Сортовые различия в накоплении радионуклидов значительно меньше (до 1,5-3 раз), но их также необходимо учитывать при подборе культур для возделывания в условиях радиоактивного загрязнения.

По накоплению радионуклидов в товарной части культуры располагаются в следующем убывающем порядке: корнеплоды, бобовые, картофель, крупяные, зерновые и овощные культуры.

По накоплению стронция-90 выделяют сильнонакапливающие культуры (бобовые), средненакапливающие культуры (крупяные) и слабонакапливающие культуры (зерновые).

Бобовые культуры накапливают радионуклиды в 2-10 раз больше, чем зерновые. Установлено, что озимые зерновые культуры и раннеспелые яровые культуры накапливают меньше радионуклидов, потому что они формируют высокую урожайность растительной массы, на которую распределяются поступившие в растение радионуклиды, т.е. происходит биологическое разбавление радионуклидов.

Накопление радионуклидов зависит от типа минерального питания, т.е. от потребности культур в калии, кальции и других элементах питания. Калиелюбивые культуры (свекла, картофель, овес, капуста) накапливают больше цезия, а кальциелюбивые культуры (люпин, люцерна, клевер, горох) накапливают больше стронция.

Значительное влияние на накопление радионуклидов оказывает онтогенез или фаза развития растений. Максимальное накопление наблюдается в ранних фазах развития, когда происходит интенсивный рост, сопровождающийся активным всасыванием питательных веществ, радионуклидов и переносом их в наземные органы. Например, у зерновых культур максимальное накопление в наземной массе происходит в фазе кущения и в фазе выход в трубку. В фазах молочной и восковой спелости происходит отток питательных веществ и радионуклидов из листьев в зерно, где содержание цезия может возрастать до 4-х раз.

Накопление радионуклидов зависит от места расположения, типа и мощности корневой системы. Растения с мочковатой и корневищной корневой системой, расположенной в верхних слоях почвы, накапливают больше радионуклидов, чем растения со стержневой системой, которая проникает в более глубокие и «чистые» почвенные горизонты.

Различия в коэффициентах накопления радионуклидов различными видами, а также сортами сельскохозяйственных культур следует учитывать при планировании севооборотов с целью получения растениеводческой продукции с наименьшим уровнем радиоактивного загрязнения [7].

В условиях радиоактивного загрязнения были изучены параметры накопления ¹³⁷Cs и ⁹⁰Sr продукцией 42 сортов озимых и яровых форм зерновых культур [7].

Убывающий по накоплению Sr-90 ряд культур существенно отличается от такового по Cs-137. По величине накопления Sr-90 в зерне первое место занимает яровой рапс, далее следуют в порядке убывания: люпин > гopox > вика > ячмень > яровая пшеница > овес > озимая пшеница и озимая рожь [7].

Наибольшее количество Sr-90 переходит в солому ячменя, затем следует солома яровой и озимой пшеницы, овса, озимой ржи. По накоплению Sr-90 в зеленой массе культуры располагаются в следующем по убыванию порядке: клевер > люпин > горох > многолетние злаковые травы на пойменных землях > многолетние злаково-бобовые смеси > вика > рапс яровой > горохо-овсяные и вико-овсяные смеси > травы естественных сенокосов > травы на осушенных землях > травы на пахотных землях > кукуруза [7].

Таблица 1.2 - Средняя величина коэффициента накопления* стронция - 90 для основных сельскохозяйственных культур (Г.В.Клековкин, 2004) [7].

Примечание - *Коэффициент накопления для овощей приведен на сырую массу; для зерна и сена - при стандартной влажности.

Выявлены различия в накоплении радионуклидов, связанные с сортовыми особенностями культур. Сорта интенсивного типа, потребляющие значительные количества питательных веществ, обычно характеризуются и повышенным накоплением радионуклидов. Например, повышенным накоплением радионуклидов отличаются сорта ячменя Селянин, Верас [7]. Наблюдаются существенные различия по данному показателю и в зависимости от сортовых особенностей. Сортовые различия по накоплению стронция могут достигать у озимой ржи, озимого тритикале, ячменя до 50-55 % [6].

Поэтому при внедрении того или иного сорта необходимо учитывать не только размеры накопления, но и радионуклидный состав загрязнения продукции. Подбор сортов с минимальным накоплением радионуклидов является экономически выгодным и эффективным способом обеспечения производства продукции в пределах нормативных требований [7].

.3 Влияние кислотности почвы и других ее агрохимических показателей на поступление ⁹⁰Sr в растения

Агрохимические мероприятия направлены на получение продукции растениеводства, отвечающей радиологическим стандартам.

Агрохимические мероприятия предусматривают:

·   известкование кислых почв;

·   внесение повышенных доз калийных удобрений;

·   внесение органических удобрений;

·   внесение повышенных доз фосфорно-калийных удобрений;

·   использование природных минеральных сорбентов (различные виды глинистых минералов);

·   комплексное применение различных видов минеральных и органических удобрений.

Среди почвенных характеристик наибольшее влияние оказывают гранулометрический и минералогический состав, агрохимические показатели почвы и режим увлажнения почвы.

Гранулометрический состав влияет на сорбцию радионуклидов, которая зависит от степени дисперсности частиц. Чем больше в почве глинистых частиц, тем прочнее сорбция радионуклидов и тем меньше коэффициенты накопления радионуклидов растениями. На почвах тяжелого гранулометрического состава с высоким содержанием глин радионуклиды накапливаются в растениях в меньших количествах, чем на почвах легкого состава. Основное влияние на накопление радионуклидов оказывает илистая фракция, в состав которой входят глинистые минералы группы монтмориллонита, гидрослюд и слюд. В зависимости от типа почвы при одинаковой плотности загрязнения их Sr-90 коэффициенты пропорциональности для него могут различаться до 2-х и более раз. Например, Кн стронция-90 для картофеля на дерново-подзолистой песчаной почве составляет 0,33, а на дерново-подзолистой суглинистой - 0,17.

На Полесье преобладают супесчаные легкие дерново-подзолистые и торфяно-болотные почвы. Коэффициенты перехода Sr-90 в растения здесь в 4-5 раз выше, чем в других районах Беларуси, потому что при дефиците глинистых минералов Sr-90 находится в этих почвах в водорастворимой и обменной форме. Накопление радионуклидов на торфяно-болотных почвах зависит от окультуренности почвы, минерализации и состава золы почвы, толщины торфяного слоя, ботанического состава торфообразующих растений, кислотности почвенного раствора и наличия обменных катионов, влажности почвы, глубины залегания и минерализации грунтовых вод.

Изучены закономерности накопления радионуклидов на торфяно-болотных почвах Брагинского и Хойникского массивов. Более высокая зольность почв, повышенное содержание карбонатов, минералов илистой фракции, а также более низкая влажность почвы Брагинского массива способствуют меньшему накоплению радионуклидов в растениях, чем на почвах Хойникского массива. С увеличением мощности торфяного слоя возрастает поступление стронция в растительность, т.к. снижается зольность почвы. Особенности накопления радионуклидов растениями на разных типах почвы следует учитывать при производстве сельскохозяйственной продукции.

При одинаковом уровне радиоактивного загрязнения на различных почвах поступление радионуклидов в растения и накопление их в урожае будут неодинаковыми. Исследования показали, что на плодородных почвах, отличающихся высокой сорбционной емкостью, наблюдается пониженное поступление радионуклидов в растения и накопление их в продуктах питания (таблица 1.3).

Таблица 1.3 - Величины радиоактивного загрязнения урожая стронцием-90 (нКи/кг) на разных почвах при плотности загрязнения территории 1Ки/км² (по Г.В.Клековкин, 2004)

Сахарная свекла корнеплоды

Картофель, клубни

Вика

Овес зерно

Гречиха, зерно

Дерново-подзолистые: песчаные супесчаные тяжелосуглинистые

 11,9 6,0 1,6

 4,3 2,6 0,8

 72,0 48,0 13,6

 9,0 5,9 1,4

 8,9 5,9 1,5

Серые лесные

1,7

0,6

9,6

1,3

1,3

Черноземы

0,3

0,13

2,4

0,3

0,2

Примечание - снижение или увеличение плотности загрязнения почвы в 2,3 и т.д. раза соответственно снизит или увеличит уровень загрязнения продукции.

Доказано, что все агрохимические показатели почвы, способствующие повышению сорбции радионуклидов почвой, снижают их поступление в растения. Большинство агрохимических показателей почвы тесно связаны между собой, поэтому степень действия каждого отдельного свойства зависит от влияния всего комплекса.

Установлена отрицательная зависимость между содержанием обменного кальция, уровнем кислотности почвенного раствора и поступлением в растения стронция-90.

Чем больше в почве обменного кальция и чем меньше кислотность почвенного раствора, тем меньше коэффициенты перехода стронция-90 в растения. По мере повышения содержания обменного кальция с 550 до 2000 мг СаО на кг почвы Кп Sr-90 снижается в 1,5-2 раза.

Изменение кислотности почвенного раствора от кислого интервала (рН = 4,5-5,0) к нейтральному (рН = 6,5-7,0) снижает переход стронция-90 в растения в 2-3 раза. Дальнейшее насыщение почвы свободными карбонатами кальция сдвигает рН в щелочной диапазон, однако это не сопровождается уменьшением коэффициента перехода. На карбонатных почвах коэффициент накопления стронция-90 снижается до 3-х раз, потому что происходит необменная фиксация Sr-90 с образованием карбонатных солей.

Установлено, что чем больше насыщенность почвы обменными основаниями, тем меньше коэффициент перехода Sr-90 в растения. Торфяно-болотные почвы бедны по содержанию калия, кальция и магния. Как правило, это кислые почвы, поэтому Кп и Sr-90 на этих почвах в 5-20 раз больше, чем на дерново-подзолистых.

На переход стронция в растения оказывает влияние органическое вещество почвы. Гумусовые кислоты, особенно гуминовая кислота, образуют сложные комплексы с радионуклидами или гуматы, поэтому из органических комплексов доступность стронция снижается в 2-4 раза. Повышенная биологическая доступность радионуклидов на торфяно-болотных почвах связана со способностью органического вещества фиксировать ионы радионуклидов на поверхности органических коллоидов, поэтому не обеспечивается прочная сорбция радионуклидов и увеличивается их доступность растениями. Кроме этого на торфяно-болотных почвах повышена кислотность почвенного раствора, что обеспечивает хорошую растворимость солей радионуклидов и их доступность растениям.Таким образом, показатели почвенного плодородия могут оказывать существенное влияние на накопление радионуклидов всеми сельскохозяйственными культурами.

Установлено, что минимальный переход Sr-90 в растения наблюдается на почвах с оптимальными параметрами их агрохимических характеристик. Большое влияние на накопление радионуклидов растениями оказывает режим увлажнения почв. Сведения по влиянию влажности почвы на поступление радионуклидов в растения неоднозначны. Известно, что количество катионов стронция, вытесняемых из почвы в раствор, возрастает с увеличением влажности. Это связано со сложным характером взаимовлияния влажности, свойств почвы и биологических особенностей растений на процессы миграции радионуклидов в цепи почва-растения. С увеличением влажности почвы возрастает доля водорастворимого и обменного Sr-90, поэтому возрастают коэффициенты перехода и содержание этих радионуклидов в растительности.

ГЛАВА 2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Изучение накопления ⁹⁰Sr в зерне и соломе зерновых культур

2.1 Цель, задачи, материал и методика исследований

Для территории Беларуси характерны следующие основные типы почв: дерново-подзолистые, дерново-подзолистые заболоченные, дерново-болотные, дерновые, торфяно-болотные и пойменные. По составу подстилающих пород они подразделяются на песчаные, супесчаные, суглинистые.

На почвенный покров Беларуси в настоящее время оказывается значительное антропогенное давление. В первую очередь это проявляется в накоплении в почвах республики разного рода технофильных элементов, или продуктов техногенеза. Наиболее опасны продукты радиоактивного распада, которые загрязнили значительную часть почвенного покрова Беларуси после аварии на Чернобыльской АЭС.

На территорию Беларуси выпало 70% всех радионуклидов после аварии на ЧАЭС. В настоящее время зона радиоактивного загрязнения охватывает 23% территории республики, в т.ч. 1,3 млн га сельскохозяйственных и 1,6 млн га лесных земель.

Загрязнение территории республики стронцием-90 (⁹⁰Sr) носит более локальный, по сравнению с цезием-137, характер. Уровни загрязнения почвы этим радионуклидом выше 5,5 кБк/м² (0,15 Ки/км²) обнаружены на площади 21,1 тыс. км², что составило 10% от территории республики. Максимальные уровни стронция-90 обнаружены в пределах 30-км зоны ЧАЭС и достигали величины 1800 кБк/м² (48,6 Ки/км²) в Хойникском районе Гомельской области. Наиболее высокая активность стронция-90 в почве в дальней зоне обнаружена на расстоянии 250 км - в Чериковском районе Могилевской области и составила 29 кБк/м² (0,78 Ки/км²), а также в северной части Гомельской области, в Ветковском районе - 137 кБк/м² (3,7 Ки/км²) [10]. Особенности минерального питания, разная продолжительность вегетационного периода и другие биологические особенности различных видов растений влияют на накопление радионуклидов [7].

Прогноз загрязнения радионуклидами продукции растениеводства позволяет заблаговременно планировать набор культур для возделывания на загрязненных радионуклидами угодьях, размещение их по полям севооборотов и отдельным участкам с учетом различного использования получаемой продукции (продовольственные цели, фураж, промышленная переработка и т.д.) [10].

Целью данной работы явилось изучение накопления стронция-90 (⁹⁰Sr) в зерне и соломе зерновых культур.

В данной работе были поставлены следующие задачи:

3.      Определить основные показатели (рН, содержание гумуса и способность удерживать внесенный стронций) в 10 разновидностях дерново-подзолистых почв

.        Определить содержание стронция-90 в соломе и зерне пшеницы и овса, выращенных на 10 подготовленных участках почв

. определить влияние рН на накопление стронция-90 в растениях пшеницы и овса.

Объект исследований: зерно и солома пшеницы и овса, выращенные на 10 почвах дерново-подзолистой зоны.

Для решения поставленных целей проводили вегетационные опыты и лабораторные исследования.

Растения пшеницы и овса выращивали на 10 почвах дерново-подзолистой зоны. Повторность опытов 3-кратная. Стронций-90 вносили в дозе 0,01 мкюри на 1 кг почвы при набивке сосудов.

2.2 Анализ результатов исследований

Накопление стронция-90 определяется в значительной мере свойствами почв (минералогический состав, содержание гумуса, уровень кислотности и т.д.).

В пробах почв, используемых для исследования, были определены основные показатели: установлен тип почвы, рН, содержание гумуса и способность удерживать внесенный стронций. Результаты представлены в таблице 2.1.

Таблица 2.1 - Агрохимические показатели и десорбция стронция-90 из дерново-подзолистых почв

На основании полученных данных установлено, что прочность закрепления стронция в почве варьирует от 53,1 до 94,8% от количества внесенного.

Наименьшее значение определено в образце №5 (суглинок легкий), где также установлено наименьшее по всем образцам значение рН (4,1).

Значения рН варьируют от 4,1 (образец №5) до 7,0 (образцы № 1и 7), содержание гумуса преобладает на суглинистых почвах. Также проводили определение содержания стронция-90 в соломе и зерне пшеницы и овса, выращенных на 10 подготовленных участках почв. Результаты отображены в таблице 2.2.

Таблица 2.2 - Содержание стронция-90 в в растениях на дерново-подзолистых почвах

На основании полученных данных установлено, что наибольшее содержание стронция-90 в растениях пшеницы отмечается в соломе (от 18,4 до 245,5 Нкюри/г сухого вещества). В зерне стронция накапливается значительно меньше (от 1,0 до 14,7 Нкюри/г сухого вещества), чем в соломе (4,9% от содержания в соломе) (рисунок 2.1).

Рисунок 2.1 - Содержание стронция-90 в соломе и зерне пшеницы

Анализируя данные, также выявлена сходная зависимость по овсу: в соломе стронция накапливается больше, чем в зерне. Содержание в соломе составляет от 19,6 до 255,5 Нкюри/г сухого вещества, в зерне от 0,9 до 10,2 Нкюри/г сухого вещества (в среднем, содержание стронция в зерне составляет 4,3% от содержания в соломе) (рисунок 2.2).

Согласно полученным данным установлено, что в растениях пшеницы и овса большая часть стронция-90 накапливается в соломе, в зерне радионуклид обнаруживается, но в значительно меньшем количестве.

Рисунок 2.2 - Содержание стронция-90 в соломе и зерне овса

Также анализ данных, полученных в результате проведения исследований, показал, что на накопление стронция-90 в растениях пшеницы и овса существенное значение оказывает рН почвы. На легком суглинке (образец №5), имеющем наиболее кислую реакцию (рН 4,1), определялось наибольшее содержание стронция-90 в растениях пшеницы и овса. На рисунках 2.3 и 2.4 отображена зависимость содержания стронция-90 в зерне и соломе пшеницы и овса соответственно от значения рН почвы.

Эти результаты подтверждают данные литературы о том, что чем меньше кислотность почвенного раствора, тем больше коэффициент перехода стронция-90 в растения.

Стоит подчеркнуть, что на накопление стронция-90 влияет широкий спектр показателей почв, хотя значение кислотности имеет немаловажное значение.

Рисунок 2.3 - Зависимость содержания стронция-90 в зерне и соломе пшеницы от значения рН почвы

Рисунок 2.4 - Зависимость содержания стронция-90 в зерне и соломе овса от значения рН почвы

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

При проведении исследований 10 видов почв дерново-подзолистой зоны, было установлено, что прочность закрепления стронция в почве варьирует от 53,1 до 94,8% от количества внесенного. Наименьшее значение определено в образце почвы с наименьшим по всем образцам значением кислотности (рН 4,1). В целом, значения рН варьируют от 4,1 до 7,0, содержание гумуса преобладает на суглинистых почвах.

Было выявлено, что в соломе пшеницы и овса накапливается значительно большее количество радиоактивного стронция, чем в зерне. Это обусловлено биологическими особенностями растений.

Также установлено, что в образцах почв с минимальным значением рН накопление радиоактивного стронция значительно выше, чем на почвах со слабощелочной реакцией. Известно, что из кислых почв поступление радионуклидов в растения значительно выше. На кислых почвах снижается прочность закрепления радионуклидов почвенно-поглощающим комплексом.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1.      Анненков Б.Н., Юдинцева Е. В. Основы сельскохозяйственной радиологии. М.: Агропромнздат, 1991.

.        Василенко, И.Я, Василенко, О.И. Стронций радиоактивный // Энергия: экономика, теоохника, экология. 2002. -- №4. С.26-32.

.        Геохимические пути миграции искусственных радионуклидов в биосфере: Тез. докл. IV конф. по программе «АЭС-BO». Гомель, 1990.

.        Лазаревич Н.В., Чернуха Г.А. Поведение техногенных радионуклидов в системе почва-растение: Лекция.- Горки: БГСХА, 2007.

.        Макаревич, К.И. накопление стронция-90 в урожае пшеницы, овса и гороха на разных почвах : автореф. дис.канд. биол. наук: 06.01.04 - агрохимия./ К.И. Макаревич. М., 1973.

6.      МИНИМИЗАЦИЯ «СТРОНЦИЕВОЙ» ПРОБЛЕМЫ В РАСТЕНИЕВОДСТВЕ / Тимофеев С. Ф. [и др.] // Институт радиологии. - с. 216. [Электронный ресурс: <http://www.iaea.org/inis/collection/NCLCollectionStore/_Public/39/114/39114190.pdf>].

7.      Правила ведения агропромышленного производства в условиях радиоактивного загрязнения земель РБ на 2002-2005гг. Министерство сельского хозяйства и продовольствия РБ, Мн.,2002.

.        Почвенно-земельные ресурсы: оценка, устойчивое использование, геоинформационное обеспечение: материалы Международной науч.-практ. конф., 6-8 июня 2012 г, г. Минск, Беларусь / редкол.: И.И. Пирожник (гл. ред.), В.М. Яцухно (отв. Ред.) [и др.]. - Минск: Изд. центр БГУ, 2012. - С. 77-79.

10.    Рекомендации по ведению сельскохозяйственного производства: 2012г. [Электронный ресурс: <http://chernobyl.gov.by/index.php?option=com_content&view=article&id=244:2012------&catid=54:knews&Itemid=2>]

.        Тепляков, Б.И. Основы сельскохозяйственной радиоэкологии: курс лекций/ Новосиб. гос. агр. ун-т. - Новосибирск, 2010. -146с.

.        Чистик, О.В. Ведение сельскохозяйственного производств на землях, загрязненных радионуклидами:учебно-методическое пособие / О.В. Чистик, С.Е. Головатый, С.С. Позняк. - Мн.: МГЭУ им. А.Д. Сахарова, 2008. - 208с.

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