Радионуклиды в сельскохозяйственных экосистемах
13.09.2012
Сельскохозяйственное производство оказывает очень существенное воздействие на поведение радионуклидных загрязнений в экосистемах, ландшафтах, а также в биосфере в целом. Направленность этого воздействия противоположна. Производство и использование сельскохозяйственной продукции с загрязненных территорий, с одной стороны, ускоряет очистку сельскохозяйственных земель от загрязнений, с другой - усиливает рассеяние радионуклидов с продуктами питания, органическими удобрениями и неконтролируемыми отходами, увеличивает степень риска заболеваний людей и домашних животных.
Различные производственные факторы влияют, прежде всего, на состояние и подвижность радионуклидов, при этом одни и те же технологические приемы могут одновременно влиять на механизмы как снижающие, так и увеличивающие подвижность радионуклидов в экосистеме.
Рассмотрим влияние основных технологических приемов сельскохозяйственного производства на проявление отдельных механизмов, определяющих направленность изменения состояния и поведения радионуклидов в агроэкосистемах и почве.
Распашка и другие виды механической обработки почв на загрязненных территориях, с одной стороны, способствуют вовлечению дополнительных количеств почвенной массы во взаимодействие с загрязнениями и, тем самым, способствуют «разбавлению» и сорбционному закреплению радионуклидов в минеральной части почвы. При распашке и других видах обработки ускоряется минерализация органогенных горизонтов и органических остатков и переход радионуклидов в минеральную часть почвы. Отдельные виды вспашки могут перемещать основную часть наиболее загрязненного поверхностного слоя на такую глубину, где процессы корневого поглощения радионуклидов существенно снижены. Все перечисленные изменения, происходящие при механических обработках почвы, приводят к существенному общему снижению поступления радионуклидов в сельскохозяйственные растения по сравнению с естественной растительностью.
С другой стороны, распашка задернованной территории неизбежно приводит к возрастанию интенсивности процессов как водной, так и ветровой эрозии и рассеянию радионуклидов, связанных с тонкодисперсными частицами почвы.
Применение удобрений, как и различные виды обработки почв, часто оказывает разнонаправленное влияние на поведение радионуклидов в сельскохозяйственных экосистемах.
Благоприятная направленность воздействия обусловлена несколькими причинами.
1. Уменьшение удельной активности продукции растениеводства (Бк/кг) за счет более интенсивного накопления биомассы, которое снижает уровень загрязнения продукции в соответствии с ростом урожаев под влиянием удобрений.
2. Элементы удобрений подавляют (дискриминируют) поступление в растения тех радионуклидов, для которых они являются химическими аналогами. Например, щелочноземельный элемент кальций, входящий в состав удобрений или извести, подавляет поступление в растения щелочноземельного 90Sr. Аналогично складываются взаимодействия между щелочными элементами - калием в составе удобрений и 134,137Сs.
Эффективность применения удобрений существенно зависит от типа почвы и ее буферности по отношению к конкретным элементам минерального питания, а также от их количества в почве. Максимальный эффект наблюдается на бедных почвах с НИЗКОЙ буфервостью, например на песчаных подзолах. Причина этого в том, что при прочих равных условиях именно на бедных слабогумусированных почвах легкого гранулометрического состава и, соответственно, с низкой буферностью минеральные удобрения будут максимально повышать концентрацию элементов минерального питания в почвенном растворе, а действие дискриминационного эффекта проявляется при увеличении различий в концентрациях элементов-аналогов. Именно на легких и бедных почвах минеральные удобрения (разумеется, при правильном их применении) будут наиболее эффективны как в повышении урожая, так и в снижении уровня загрязненности продукции. Кратность уменьшении уровня загрязнения в этом случае может составлять 4-6.
С утяжелением гранулометрического состава, ростом уровня гумусированности и обеспеченности почв элементами минерального питания эффективность действия минеральных удобрений на снижение уровня загрязнения растениеводческой продукции радионуклидами снижается в 2-3 раза.
Минимальную степень влияния минеральных удобрений на радиоэкологическое состояние агроэкосистем можно ожидать на хорошо окультуренных черноземах, хотя уровень загрязнения продукции не таких почвах будет также минимальным, но не в результате действия минеральных удобрений, а за счет развитых механизмов сорбционного удерживания радионуклидов в составе твердой фазы почвы.
3. Минеральные удобрения способствуют соосаждению радионуклидов из почвенных растворов и переходу их в твердую фазу. Большинство радиоактивных загрязнений, поступающих в биосферу, находятся в ультранизких концентрациях, поэтому не способны к образованию самостоятельной твердой фазы, т. е. к осаждению. Однако они могут эффективно соосаждаться с другими ионами, если внесение минеральных удобрений может быть причиной процессов осаждения. Например, при внесении фосфатных удобрений в почву, богатую кальцием, возможно образование труднорастворимых фосфатов кальция, при этом микроколичества 89,92Sr2+ могут соосаждаться с кальцием. Этот случай называют изоморфным соосаждением, поскольку Са2+ и Sr2+ являются химическими аналогами и возможно их изоморфное взаимозамещение в осадках.
В почвенных условиях возможны и другие типы соосаждений радионуклидов, например адсорбционное соосаждение на гидроксидах железа и алюминия при снижении кислотности почв в результате известкования или соосаждение в составе органоминеральных соединений при подкислении почвенной среды и т. д. Любые процессы, способствующие переходу радионуклидов в твердую фазу почвы, снижают их поступление в растения.
4. В некоторых случаях эффективное снижение перехода радионуклидов из почвы в растения наблюдается при локальных способах внесения удобрений за счет повышения локализации корневого поглощения и уменьшения общего эффективного объема, из которого происходит корневое питание растений. Однако особенно эффективен данный механизм при использовании полноценных органических удобрений, в частности качественного навоза. Технология внесения органических удобрений такова, что они обязательно образуют локальные очаговые зоны по всему объему пахотного горизонта. В этих зонах происходит активная локализация поглощающих корней растений. Влияние такой локализации существенно выше, чем в случае применения минеральных удобрений, поскольку очаги органического удобрения, в отличие от минеральных, не содержат «обжигающих» концентраций минеральных солей, зато содержат полный набор всех необходимых элементов минерального питания, включая и микроэлементы, приблизительно в оптимальном соотношении. В очаге органического удобрения есть более благоприятные физические условия и микробиологический фон для корневых систем. Благодаря этому концентрация активных поглощающих корней в очагах органических удобрений приблизительно на порядок выше, чем в остальных частях пахотного горизонта, загрязненного радионуклидами.
Снижение общего поступления радионуклидов в растения достигается в том случае, если объемная удельная активность загрязнений в очаге удобрений существенно ниже, чем в остальной части пахотного горизонта. Таким образом, реализация данного механизма возможна при использовании органических удобрений, относительно не загрязненных радионуклидами. Эффективность применения чистых органических удобрений особенно высока в условиях бедных слабоокультуренных почв.
Однако применение как органических, так и минеральных удобрений может способствовать мобилизации процессов, направленных на повышение поглощения радионуклидов растениями.
Главным из таких процессов является возрастание перехода радиоактивных загрязнений из твердой фазы почвы в почвенный раствор в результате их вытеснения из ППК солями, входящими в состав удобрений, а также за счет возможного подкисления почвенной среды при использовании химически и физиологически кислых удобрений. Однако превалирование негативных результатов над благоприятными возможно лишь при допущении грубых технологических ошибок применения удобрений.
Различные виды мелиорации в той или иной мере влияют на поведение радионуклидов, как и любых других элементов, в почве и наземной экосистеме. Наиболее изучено влияние осушительных мелиорации, проводимых на почвах гидроморфного ряда. Эти почвы характеризуются повышенным содержанием органического вещества, которое существенно препятствует взаимодействию радионуклидов с минеральными компонентами почвы. В результате осушительных мелиорации значительная часть органического вещества минерализуется и соответственно возрастает роль минеральной части почвы в сорбционном закреплении любых загрязняющих веществ, особенно прочность связывания 137Са, который фиксируется слоистыми алюмосиликатами почвы. Таким образом, осушительная мелиорация в сочетании с последующими агротехническими приемами способствует снижению концентрации радионуклидов в почвенном растворе и их поступлению в растения.
Известны специальные мелиоративные приемы, направленные на более прочное связывание радионуклидов твердой фазой почвы, например глинование легких почв, внесение цеолитов и др.
