Первичные процессы взаимодействия радионуклидов с почвой

13.09.2012

В «чистом» виде взаимодействие радионуклидных загрязнений с почвой реализуется при выпадениях на поверхности, свободные от растительности (вспаханное поле до появления всходов, поле чистого пара, поверхность жнивья, поле после уборки пропашных культур). В условиях естественных экосистем поверхности, свободные от растительности, наблюдаются реже. На территории России это могут быть отдельные участки в зоне сухих степей и полупустынь с разреженной растительностью и засоленными почвами, участки с мертвым опадом под хвойными насаждениями в условиях таежной зоны, «пятна» полигональных тундр и отдельные участки торфяников в зоне тундры. В условиях степных или луговых экосистем может происходить первичное взаимодействие радионуклидов с поверхностью дернового горизонта, если выпадения произошли в периоды между вегетациями растений.
С почвой активно взаимодействуют только мобильные формы радионуклидов, способные образовывать истинные растворы в составе атмосферных осадков или в почвенной влаге, а также молекулярные формы некоторых радионуклидов (например, 131I2), для которых возможно взаимодействие с твердой фазой почвы непосредственно из воздуха, минуя жидкую фазу. Однако в большинстве случаев первичные взаимодействия радионуклидов с почвой осуществляются через почвенный раствор, т. е. начальным актом взаимодействия является переход радиоактивных загрязнений в жидкую фазу почвы. Например, для растворения радионуклидов в составе твердых топливных частиц требуется период порядка 5 и более лет. Сразу же после растворения начинается активное сорбционное поглощение радионуклидов твердой фазой почвы.
Почва является уникальным природным сорбентом благодаря исключительно сложному вещественному составу, в котором наблюдают практически все известные виды сорбционных взаимодействий. Она в той или иной степени способна к поглощению практически любых веществ. Применительно к радионуклидам целесообразно выделить пять основных видов сорбционных взаимодействий (табл. 7.3).

Первичные процессы взаимодействия радионуклидов с почвой

В большинстве случаев сорбционные взаимодействия радионуклидов с почвой протекают с высокой скоростью. В специальных исследованиях установлено, что состояние, близкое к сорбционному равновесию, устанавливается за первые минуты взаимодействия, при этом в твердую фазу почвы переходит порядка 99% из общего количества радионуклида, выпавшего на поверхность почвы.
Сорбция почвой имеет исключительное значение для всей дальнейшей судьбы радионуклидов в экосистеме. Благодаря сорбции резко уменьшается возможность перемещения радионуклида в почве и его поступления в растения, т. е. снижается его подвижность. Конкретный уровень уменьшения подвижности радионуклида определяется типом почвы и химической формой конкретного радиоактивного изотопа. Здесь можно выделить общую закономерность: доля переходящего в твердую фазу почвы радионуклида возрастает (соответственно его концентрация в почвенном растворе снижается) и прочность сорбционного закрепления увеличивается при переходе от почв легкого гранулометрического состава (пески, супеси) к почвам тяжелого гранулометрического состава (тяжелые суглинки, глины). Та же закономерность прослеживается при переходе от низко- к высокогумусированным почвам. Указанные закономерности объясняют как изменением общей сорбционной емкости почвы, так и изменением содержания тех ее компонентов, которые обеспечивают особенно прочное, практически необратимое удержание радионуклидов.
Важнейшими из данных компонентов являются глинистые минералы, особенно спектитовой группы, на которых осуществляется необменная фиксация 137Cs; различные формы гидроксидов, фосфатов и карбонатов, некоторых возможно соосаждение большинства радионуклидов, образующих поливалентные катионы; гумусовые вещества, входящие в состав твердой фазы почвы, способные прочно удерживать поливалентные формы радионуклидов за счет образования комплексных и внутрикомплексных соединений.
Благодаря сорбции имеют место две важнейших особенности, характеризующие поведение радионуклида в почвах и наземных экосистемах.
1. Относительно низкое поступление радионуклида из почвы в растение. Даже из песчаных почв, обладающих минимальной сорбционной способностью, за один вегетационный период переходит всего несколько процентов радионуклида от его исходного содержания в почве.
2. Незначительная вертикальная абиотическая миграция радионуклида в почвах и крайне низкая вероятность загрязнений грунтовых вод. В естественных почвах ненарушенного сложения благодаря сорбции около 90% поступивших на поверхность радионуклидов удерживаются слоем почвы толщиной 5-10 см в течение десятков лет.
Естественно, что вынос из почвы различных радионуклидов отдельными видами растений существенно различается, как различаются и особенности абиотической миграции радионуклидов в почвах разного типа. Конкретные данные об этом будут рассмотрены ниже.
Важную роль в первичном взаимодействии радионуклидов с почвой играет ее агрегированность. т. е. наличие более или менее выраженной комковатой структуры. Агрегированность практически не выражена в песчаных почвах, но в суглинистых образуются механически прочные и устойчивые во времени агрегаты разного размера, большая часть которых составляет 1-20 мм. В связи с этим первичное сорбционное взаимодействие радионуклидов с агрегированными почвами происходит не со всей почвенной массой, а только с поверхностью почвенных агрегатов (рис. 7.1).

Благодаря этому радионуклид имеет крайне неоднородное распределение в почвенной массе, формируются очень высокие первичные градиенты его концентрации. Такой тип первичного распределения существенно влияет как на поступление радионуклида из почвы в растение, так и на его абиотическую миграцию; оба эти процесса протекают гораздо интенсивнее в условиях первичной локализации вещества на поверхности агрегатов. Транслокация в растения усиливается благодаря тому, что активные корни также в той или иной степени локализованы на поверхности почвенных агрегатов. Первичная абиотическая миграция в агрегированных почвах протекает интенсивнее благодаря локализации потоков почвенной влаги в межагрегатном пространстве и неучастию значительной части сорбционного комплекса почв (внутриагрегатной массы почвы) в сорбционном закреплении радионуклида. В связи с этим иногда складывается парадоксальная ситуация: на почвах с повышенной сорбционной емкостью (но с хорошо развитой агрегированностью) наблюдают более глубокое первичное вертикальное проникновение радионуклидов, чем в песчаных почвах со слабо выраженными сорбционными свойствами (рис. 7.2).

Особый характер первичных взаимодействий и распределения радионуклидов отмечается при загрязнении органогенных почв и горизонтов: торфяников, лесных подстилок, поверхности дернины и др. Особенность этих горизонтов - относительно менее прочное сорбционное связывание ими большинства радионуклидов по сравнению с минеральными почвами. Как следствие - более интенсивная абиотическая миграция радионуклидов и повышенное поступление их в растения, ускоренное протекание процессов их вторичного перераспределения в органогенных почвах, включения радионуклидов в биогеохимические циклы.
Важно отметить, что непосредственно после загрязнения почвы происходит очень быстрое формирование общей картины первичного распределения радионуклидов, для которой характерно слабое вертикальное проникновение загрязнения, обычно не превышающее 1-2 см для минеральных почв и несколько большее для органогенных почв и горизонтов. Если поверхностные горизонты почвы агрегированы, то происходит еще и локализация радионуклидов на поверхности агрегатов.
Необходимо помнить, что локализация радионуклидов в поверхностном слое почвы создает условия, благоприятные для проведения дезактивации, особенно непосредственно после загрязнения.
Скорость изменения характера первичного распределения радионуклида зависит от многих факторов. Зачастую картина, в целом, может оставаться достаточно стабильной в течение многих лет, поскольку сорбционное закрепление радионуклидов почвой является мощным сдерживающим фактором, препятствующим вторичному перераспределению и распространению (рассеянию) загрязнении в результате абиотической миграции и поступления их в растения.
Однако многие природные процессы и антропогенные воздействия, такие как включение загрязнений в биогеохимические циклы, водная и ветровая эрозия, сельскохозяйственная обработка почвы и др., могут приводить к очень быстрому вторичному рассеянию и перераспределению радионуклидных загрязнений между различными компонентами экосистем, ландшафтов, вплоть до глобальных перемещений.