Радионуклиды в травянистых экосистемах

13.09.2012

Данный вид экосистем широко распространен в различных почвенно-климатических зонах. В таежно-лесной зоне он представлен различными видами лугов на дерновых и аллювиальных почвах, в лесостепной и стенной зонах травянистые экосистемы занимают основную часть естественных угодий на черноземах.
Первичное взаимодействие радионуклидов, поступающих на поверхность данных экосистем, происходит преимущественно с наземными органами живых растений, если выпадения произошли в период активной вегетации, или с мертвым органическим материалом поверхностных органогенных горизонтов (дернина, степной войлок и др.), если вегетация в период выпадений ослаблена или отсутствует. В любом случае, после отмирания наземных органов основная часть радионуклидов оказывается поглощенной поверхностным органогенным горизонтом почвы. Сорбционная способность отмерших органических остатков по отношению к радионуклидам гораздо ниже, чем минеральной части почвы, поэтому радионуклиды уже в первые годы после выпадения вымываются в нижнюю часть органогенных горизонтов, где они локализуются в переходной зоне к минеральной части почвы. Толщина данного слоя, поглощающего основную часть радионуклидов, очень невелика и составляет обычно 1-3 см. Особенность состояния радионуклида в этом слое почвы заключается в том, что значительная его часть связана с органическими и органоминеральными соединениями. В данной форме радионуклиды достаточно хорошо доступны растениям. Кроме того, в начальные периоды вегетации растений, когда поверхностные горизонты почвы хорошо прогреты после зимы и еще не утратили запасов влаги, наиболее активное поглощение всех минеральных элементов происходит именно из поверхностных горизонтов почвы.
Перечисленные особенности локализации радионуклидов в почвах травянистых экосистем и особенности корневого питания травянистых растений приводят к тому, что растения естественных лугов оказываются на порядок и более загрязненными по сравнению с сеяными травами агроэкосистем и тем более с другими сельскохозяйственными культурами. При этом для естественных лугов отмечается характерная динамика накопления радионуклидов в составе растений: максимум поступления происходит в первые недели вегетации, затем, по мере накопления биомассы и смещения корневого поглощения в нижележащие горизонты почвы, а также частичного вымывания радионуклидов из вегетирующих растений происходит снижение их содержания на единицу биомассы растений.
Как видно из рис. 7.7. основная часть 137Cs поступила в луговые растения в период до 20 мая. За это время растения сформировали приблизительно 30% от максимальной надземной фитомассы. В дальнейшем прирост фитомассы почти не сопровождался общем выносом радионуклидов, а на заключительных этапах вегетации происходило даже некоторое снижение их содержания за счет отпада высохших частей растений, прижизненного вымывания 137Сs из надземных органов или оттока радионуклида к корням растений.

Изменение удельной активности травостоя существенно влияет на уровень загрязнения молока, что иллюстрируется данными табл. 7.4, полученными для того же региона.

Согласно данным таблицы, происходит увеличение связывания радионуклида почвой через промежутки времени в 5 лет и, соответственно, уменьшение уровня загрязненности сена естественного луга и молока. Период половинного снижения уровня загрязнения первичной биопродукции данного естественного луга составляет около 7-8 лет. Оно обусловлено, в данном случае, в основном усилением прочности связывания радионуклида почвой, а также (в меньшей степени) физическим распадом 137Cs. Как показали расчеты, вынос радионуклида из верхних горизонтов в период 1992-2002 гг. отсутствовал.
Приведенные примеры дают основания для поиска путей безопасного хозяйственного использования естественных лугов в качестве сенокосов и пастбищ.
Обнаруживаемые в почвах естественных травянистых экосистем радионуклиды на глубинах более 10 см могут поступать туда за счет одновременного действия разных процессов: в результате отмирания корневой массы загрязненных растений или с корневыми выделениями; за счет миграции почвенной мезофауны, использующей в качестве источника питания загрязненные органические остатки; за счет поступления сухого почвенного материала из верхних горизонтов в нижние по вертикальным трещинам, образующимся в сухие периоды года, особенно в сухостепных экосистемах, в результате конвективного переноса и диффузии радионуклидов.
Основной путь выноса радионуклидов из естественных экосистем, занятых травянистой растительностью, на территории Русской равнины происходит с водами талого стока за счет вымывания веществ из поверхностных органогенных горизонтов. В гидрографическую сеть выносятся не только экстрагируемые формы радионуклидов, но и частицы самого растительного материала, а также минеральной части почвы при наличии водно-эрозионных процессов.
Общая интенсивность выноса в первые годы после выпадений соизмерима с выносом радионуклидов из лесных экосистем. Однако в травянистых экосистемах часто происходит более резкое снижение интенсивности вымывания уже спустя 2-3 года после загрязнения. Оно связано с более быстрым переходом радионуклидов из растительного пула травянистых экосистем в почвенные с по сравнению с лесными экосистемами.
Основная причина ускоренного роста почвенных пулов - относительно слабое развитие поверхностных органогенных горизонтов, особенно на суходольных лугах и в сухих степях, при одновременном мощном развитии и глубоком проникновении корневых систем растений и относительно высокой величине ежегодного отмирания корневых систем растений и их быстрой минерализации.
Кроме того, в травянистых экосистемах происходит более быстрое обновление состава органогенных горизонтов за счет ускоренной минерализации растительных остатков, что также способствует переходу радионуклидов из растительного пула в состав минеральной части почвы и их более прочному сорбционному закреплению.
Процесс выноса и рассеяния радионуклидов в условиях травянистых экосистем существенно интенсифицируется при выжигании травянистой растительности в результате пожаров или намеренных поджогов, а также при любых формах развития эрозионных процессов.
Итак, в естественных экосистемах с травянистой растительностью наблюдается относительно быстрый переход радионуклидов из пула БГХЦ в почвенные пулы. В самой почве состояние радионуклида изменяется с разной скоростью и в разных направлениях. Это зависит от химической природы радионуклида, соотношения между различными его формами при выпадениях, типа почвы и экосистемы и некоторых других факторов.
В качестве примера приведем результаты изменения форм 90Sr и 137Cs в минеральной части дерново-подзолистой супесчаной почвы под окультуренным лугом (рис. 7.8). В течение первых восьми лет после выпадения радионуклидов наиболее существенные изменения наблюдались у 90Sr, для которого относительное содержание в составе мобильных форм возросло от 25-30 до 95%, при этом большая часть 90Sr перешла в состав обменной формы. Таким образом, основная часть почвенного 90Sr вошла в состав обменного пула почвы. Соответственно, содержание 90Sr в составе инертного пула почвы снизилось с 70-75 до 5% и менее. Такой характер трансформации связан, в основном, с выщелачиванием радионуклида из труднорастворимых топливных частиц, в составе которых выпала основная часть 90Sr в 30-километровой зоне Чернобыльской АЭС.

Для 137Cs наблюдалась совершенно иная картина. Основная часть его с самого начала находилась в составе инертного почвенного пула, объем которого за 8 лет возрос приблизительно с 80 до 95%. Соответственно, снизился объем обменного пула радионуклида, представленный мобильными формами. При этом основные изменения происходили внутри труднодоступной формы (2). Они состояли в увеличении содержания 137Cs в составе неэкстрагируемого остатка, который представлен преимущественно 137Cs, фиксированным почвенными силикатами.
В прямом соответствии с направленностью трансформации форм радионуклидов в почве находится их поступление в сельскохозяйственные растения. В частности, для 30-километровой зоны ЧАЭС в первые годы после загрязнений наблюдался рост коэффициентов накопления (КН) растениями 90Sr и снижение КН для 137Cs.