CC BY
24
УДК 631.4 [631.438+631.453]:631.472.08
ОСОБЕННОСТИ ПЕРВИЧНОГО РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ТОКСИКАНТОВ НА ПРОФИЛЬНОМ И АГРЕГАТНОМ УРОВНЯХ ДЕРНОВО-ПОДЗОЛИСТОЙ ПОЧВЫ НА ПРИМЕРЕ 1370в И 90Бг
С.П. ТОРШИН, А.Д. ФОКИН, АН БРУНИН, Л.И. САМБУРОВА
(Кафедра радиологии)
Показана роль состояния почвенного профиля — нарушенное или ненару-шенноесложение,разнаябиологическаяактивность—втранспортерадиоцезия и радиостронция с нисходящим током воды при моделировании атмосферных осадков. Показано,что живыерастенияспособствуютболееактивному переме-щению137С8 и 908гвпочве.Изученыособенностилокализациирадионуклидовв почвенаагрегатномуровне.Установленопреимущественноеконцентрирование радиоактивныхтоксикантовнаихповерхности.Предложендостаточноинформа-тивныйпоказатель—коэффициентконцентрирования,которыйхорошоописы-ваетобразующиесявпочвеградиентыконцентраций137С8 и 908г.
Ключевые слова: радиоцезий, радиостронций, почвенные агрегаты, почвенные колонки, коэффициент концентрирования.
Несмотря на то что с история аварии на ЧАЭС насчитывает уже более 20 лет, значительные территории РФ остаются загрязненными осколочными радионуклидами. За постчернобыль-ский период были проведены обширные научные исследования по изучению поведения загрязнителей в почве с целью возможности прогнозирования их поведения в различных экосистемах [1], но детально распределение загрязнителей в слагающих почву структурах и роль живых растений в их перераспределении недостаточно изучены.
В почве радионуклиды взаимодействуют с ее компонентами, перемещаются в горизонтальном направлении и переносятся в глубь почвенного профиля, включаются в биологические циклы миграции. Большое значение в миграции поллютантов имеет сорбционная способность почв, которая существенно возрастает с увеличением
дисперсности почвенных частиц, что обусловлено как большей удельной поверхностью мелких почвенных фракций, так и различиями в их минералогическом составе. Основная доля радионуклидов в почве обычно связывается мелкими фракциями, содержащими глинистые и илистые частицы и обогащенными вторичными минералами групп монтмориллонита, коали-нита и гидрослюд. Заметное влияние на распределение радионуклидов между почвенными компонентами оказывает также количество и состав органического вещества [2].
В условиях агрегированности верхних горизонтов имеет место концентрирование полютантов на поверхностях агрегатов разного размера, которое обусловлено перемещением почвенной влаги в межагрегатном пространстве и первичными сорбционными взаимодействиями с поверхностью агрега-
тов. Наличие таких эффектов концентрирования и подходы к их исследованию обсуждались ранее [3, 6, 7].
Целью данной работы являлось изучение первичного вертикального распределения радионуклидов в процессе промывания почвенных колонок различного сложения, а также распределения по почвенным агрегатам и корневым остаткам для оценки роли последних в вертикальной миграции 137Сб и 90Бг.
Методика
В настоящей работе приводятся результаты лабораторных модельных опытов на дерново-подзолистой тяжелосуглинистой почве, сформированной на покровном суглинке. Образцы ненарушенного сложения отбирали с 10-летней залежи, занятой луговой естественной растительностью. Отбор проб в виде монолитов производили в деревянные ящики сечением 20х 20 см и высотой до 30 см. Монолиты отбирали с интервалом 1 год для того, чтобы изготовить колонки с почвой естественного сложения как с живыми корнями (закладка опыта в год отбора), так и с мертвыми (закладка опыта после 3-летнего высушивания и хранения в условиях лаборатории). Модельные опыты проводили в пластиковых колонках-контейнерах сечением 6х 6 см и высотой 10 см. Из монолитов вырезали соответствующий размеру колонки образец. Каждую из сторон образца поочередно парафинировали, после чего образец вставляли в колонку, содержащую горячий парафин. Этот прием позволял избежать «пристеночных эффектов» при фильтрации воды и растворов через колонку. Нижний торец колонки также парафинировали, но в нем высверливали отверстия для свободной фильтрации растворов.
Перед началом опыта все растения в колонке из свежей почвы были срезаны на уровне поверхности почвы. Цезий-137 и стронций-90 в виде раство-
ров нитрата объемом 100 мл и общей активностью 80 кБк и 20 кБк соответственно равномерно вносили на поверхность монолита. Эти порции растворов сразу же целиком были поглощены почвой. Добавление воды осуществляли порциями с интервалами в 23 сут до появления элюата. При таком способе вся поливная вода полностью впитывалась в почву. Затем монолиты в течение 2-4 недель промывали водой в норме, эквивалентной 200 мм осадков. Опыты проводили в условиях световой комнаты при температуре 22-25°С. За период промывания часть растений в колонке со свежей почвой проросла. В колонке с естественным сложением почвы и мертвыми корнями роста растений не наблюдалось. Параллельно проводили аналогичный эксперимент с почвенной водонасыщенной колонкой нарушенного сложения, в котором использовалась просеянная (фракция 1-2 мм) почва с отобранными корнями. По окончании промывания изучали распределение 137Сб и во^г по длине колонок, а также распределение по агрегатам в колонках почв ненарушенного сложения.
Таким образом, из образов почвы были сформированы три почвенные колонки: 1-я — почва естественного сложения с живыми корнями; 2-я — почва естественного сложения после длительного хранения в сухом состоянии; 3-я — насыпная, без корней.
После пропускания через колонки заданной нормы дистиллированной воды почву из колонок извлекали, просушивали и содержимое колонки разрезали на слои толщиной 1 см, каждый слой разделен на фракции методом сухого рассеивания на системе сит размером: 10; 5; 3; 2; 1 и 0,5 мм . Таким образом, почву разделяли на фракции: 10; 5-10; 3-5; 2-3; 1-2;
0,5-1 и <0,5 мм, образцы элюата после отбора выпаривали и в сухом остатке также определяли активность 137Сб и 90Бг. Содержание радиоцезия определяли на спектрометре Сошр^ашша-
1285 (ЬКБ, Швеция), радиостронций измеряли на радиометре «Бета», используя специальную подложку, позволяющую проводить измерения с одинаковой геометрией. Для пересчета скорость счета в единицы активности использовали стандартные образцы с известной активностью.
Статистическую обработку результатов проводили стандартными методами, используя стандартный пакет программ STATGRAF.
Результаты и их обсуждение
Основное количество 137С& и 9°^г было обнаружено в верхних частях профиля, несмотря на различия в поглощении этих радионуклидов почвой разных по состоянию колонок (см. табл. 1, 2). Для колонок естественного сложения это слой почвы 0-3 см, для насыпных немного меньше — 0-2 см. Для образца естественного сложения с живыми корнями оказалась характерной большая растянутость активности по профилю по сравнению с колонками с мертвыми корнями, тогда как в почвах нарушенного сложения она отсутствовала вовсе и практически вся активность (более 99%) была обнаружена в самых верхних слоях. Такое распределение может быть обусловлено влиянием биологических факторов: наличием живых корней в колонке и проводящих каналов по ходам отмерших корней. В первом случае живые корни, расположенные в самом верхнем слое почвы, поглощают часть радионуклидов. В дальнейшем происходит их перераспределение по глубине в результате передвижения токсикантов по проводящим системам корней.
Общая картина профильного распределения радионуклидов логично дополняется данными о содержании их в элюате. На выходе из колонок активность элюатов была различная. Колонка, наполненная почвой ненарушенного сложения с живыми корнями, характеризовалась наибольшими концентрациями двух радионуклидов в
элюате. Биологически активные компоненты почвы, способствующие передвижению поллютантов, отсутствовали в других колонках, поэтому в них сорбция была выше.
Таким образом, в миграции радионуклидов главную роль играет сложение почвы и структура порового пространства, а также корневые системы живых растений, которые способствуют переносу радионуклида вниз по профилю почвы. В колонках с живыми корнями около 3% от общей активности 137Сб обнаружено в растительных остатках и около 6% — 90^г. Очевидно, что растянутость активности по профилю почвы появляется во многом благодаря передвижению по корням растений (см. табл. 1, 2).
Второй по интенсивности миграции 137Сб оказалась колонка с почвой нарушенного сложения. Мы предполагаем, что в данном случае повышенный уровень миграции по сравнению с почвой естественного сложения, но с мертвыми корнями, обусловлен передвижением 137С в составе илистой фракции почвы, которая обычно имеет место в насыпных колонках на начальных этапах фильтрации и сопровождается появлением видимой взвеси почвенных частиц в элюате.
Эффект первичного концентрирования полютанта на поверхности агрегатов почвы оценивали по величине коэффициента концентрирования (КК). Коэффициент концентрирования представляет собой отношение концентрации токсиканта (или удельной активности радионуклида) в любой выделяемой компоненте почвы (поверхностный слой агрегата, фракция агрегатов определенного размера, корневые остатки и пр.) к средневзвешенной концентрации (или удельной активности) в той части почвы, из которой выделена данная компонента [5]. Эффект концентрирования по отношению к средневзвешенному содержанию вещества наблюдается, когда величина коэффициента концентрирования превышает 1.
Миграция 137Сэ в почвенных колонках различного сложения
Слой, см Почва естественного сложения с живыми корнями Почва естественного сложения после длительного хранения в сухом состоянии Насыпная колонка (из просеянного образца, фракция 1-2 мм)
А, Бк % от общей активности удельная активность, Бк/г А, Бк % от общей активности удельная активность, Бк/г А, Бк % от общей активности удельная активность, Бк/г
Распределение по слоям в почвенной массе с отобранными корневыми остатками
0-1 61650+7400 79,4 1480+480 76340+9160 94,3 1520+328 59450+4760 75,5 1620+190
1-2 1660+610 6,0 110+20 760+80 1,0 20+4,8 17620+1590 22,4 410+50
2-3 3000+240 3,9 80+6 83,5+7 0,1 2+1 220+20 0,3 6+1
3-10 799+100 1,0 4+0,5 113+21 0,1 0,4+0,1 370+50 0,5 1,3+0,3
Распределение в корневых остатках
0-1 4970+450 6,4 4760+430 3600+390 4,4 5125+50 0 0 0
1-2 310+45 0,4 270+25 80+11 0,1 40,6+3,8 0 0 0
2-4 78+10 0,1 30+3 0 0 0 0 0 0
Содержание в элюате
- 2200 2,8 - 0 0 - 1040 1,3 -
X 77667 100 - 80897 100 - 78700 100 -
Миграция 908г в почвенных колонках различного сложения
Слой, см Почва естественного сложения с живыми корнями Почва естественного сложения после длительного хранения в сухом состоянии Насыпная колонка (из просеянного образца, фракция 1-2 мм)
А, Бк % от общей активности удельная активность, Бк/г А, Бк % от общей активности удельная активность, Бк/г А, Бк % от общей активности удельная активность, Бк/г
0-1 9370+850 Распределение в почвенной массе с отобранными корневыми остатками 45,7 223+37 14590 73,2 400+44 16010+1700 76,5 380+41
1-2 4210+510 20,6 100+13,5 3170 15,9 90+9 3700+240 17,7 105+15
2-3 1270+150 6,2 30+3 430 2,2 14+3 280+35 1,3 7+2
3-10 1770+130 8,7 6+1 680 3,4 4+0,4 750+83 3,5 2,7+1
0-1 1870+200 9,2 Распределение в корневых остатках 2050+220 420 2,1 1050+100 0 0 0
1-2 656+71 3,2 250+20 400 2,0 580+65 0 0 0
2-4 96+15 0,5 80+8 80 0,4 0 0 0
1200+135 5,9 Содержание в элюате 160 0,8 200 1,0
X 20442 100 - 19930 100 - 20940 100 -
Для оценки концентрирования радионуклидов в поверхности агрегатов необходимо экспериментальное определение удельной активности почвы на поверхности и внутри структурных отдельностей. Существуют различные способы отделения поверхностных слоев почвенных агрегатов от внутренней массы. Это механическое отделение поверхности [6], размывание агрегатов водой на сите с заморозкой в жидком азоте [7] или без заморозки [5], отделение слоев при помощи липкой ленты [4], радиоавтография [5] и сухой рассев на ситах. В данном исследовании мы остановились на последнем спо-
собе как наиболее простом и показательном. Для изучения распределения поллютантов на агрегатном уровне почвенные агрегаты из различных слоев почвенных колонок разделяли методом сухого рассеивания на соответствующих ситах. Исходя из ранее проведенных исследований [5], можно предположить, что поллютанты при свежем загрязнении будут концентрироваться в поверхностных слоях почвенных агрегатов, вне зависимости от их размеров. В таблицах 3, 4, 5, 6 представлены данные о распределении 137Сэ и 908г в слоях 0-1 и 1-2 см почвенных колонок на агрегатном уровне, так как эти
Т а б л и ц а 3
Содержание 137Св в различных по размеру почвенных агрегатах.
Колонка с почвой естественного сложения с живыми корнями
Глубина отбора образца в колонке
Фракция 0 - 1 см 1 - 2 см
агрегатов, мм удельная активность, Бк/г, а: Кк* удельная активность, Бк/г, а: Кк
>10 510+62 0,35 58+6 0,53
5 -10 405+35 0,27 73+4 0,66
СО - сл 885+68 0,60 74+9 0,67
со - 1070+83 0,72 96+8 0,87
1 -2 1310+140 0,89 111+17 1,01
0,5 - 1 2090+250 1,41 148+29 1,35
< 0,5 4090+270 2,76 210+33 1,91
аср. 1480+480 - 110+20 -
* в таблицах 3 - 6 Кк = а/ аср.
Т а б л и ц а 4
Удельная активность 137Св в различных по размеру почвенных агрегатах. Колонка с почвой естественного сложения после длительного хранения
Фракция агрегатов, мм Глубина отбора образца в колонке
0 - 1 см 1 - 2 см
удельная активность, Бк/г, а: Кк* удельная активность, Бк/г, а: Кк
>10 240+23 0,16 3+1 0,15
5 -10 790+90 0,52 13+2 0,65
3 -5 1270+140 0,84 15+1 0,75
3 - 2 1500+170 0,99 20+3 1,00
1 -2 1730+200 1,14 21 +4 1,05
0,5 - 1 2320+230 1,53 24+2 1,20
< 0,5 2790+280 1,84 44+5 2,20
аср. 1520+328 - 20+4,8 -
Содержание 90вг в различных по размеру почвенных агрегатах. Колонка с почвой естественного сложения с живыми корнями
Фракция агрегатов, мм Глубина отбора образца в колонке
0 - 1 см 1 - 2 см
удельная активность, Бк/г, а: к; удельная активность, Бк/г, а: Кк
>10 88+10 0,40 30+3 0,30
5 -10 116+9 0,52 77+8 0,77
3 -5 196+25 0,88 105+9 1,05
3 - 241+21 1,08 112+13 1,12
1 -2 252+19 1,13 130+15 1,30
0,5 - 1 320+27 1,44 116+15 1,16
< 0,5 348+43 1,56 130+10 1,30
аср. 223+36,7 - 100+13,5 -
Т а б л и ц а 6
Удельная активность 90вг в различных по размеру почвенных агрегатах. Колонка с почвой естественного сложения после длительного хранения
Фракция агрегатов, мм Глубина отбора образца в колонке
0 - 1 см 1 - 2 см
удельная активность, Бк/г, а: Кк* удельная активность, Бк/г, а: Кк
>10 325+38 0,81 75+7 0,83
5 -10 233+32 0,58 58+4 0,64
3 -5 383+24 0,96 67+7 0,74
3 - 2 392+29 0,98 92+15 1,02
1 -2 383+43 0,96 100+12 1,11
0,5 - 1 476+53 1,19 113+12 1,26
< 0,5 608+71 1,52 125+20 1,39
аср. 400+44 - 90+9 -
слои почвы оказались наиболее активными. В почвенной колонке с мертвыми корнями разница в активности 137Сб в слое 0-1 и 1-2 см примерно 100 раз, в то время как для колонки с живыми корнями эта разница составляет 37 раз, что указывает на существенную роль живой части почвы в перемещении поллютанта по профилю почвы.
Наибольшая удельная активность радионуклидов 908г и 137Сб у самой мелкой фракции <0,5 мм, что объясняется относительно большей удельной поверхностью этой фракции. Цезий в большей степени фиксируется мелкими фракциями почвы по сравнению с 90Бг, так как имеет необменный тип поглощения (см. табл. 3, 4, 5, 6).
Удельная поверхность мелких фракций значительно выше, чем у остальных, и коэффициенты концентрирования выше по всем опытам. Это обстоятельство свидетельствует о поверхностном концентрировании радионуклидов почвенными фракциями.
Выводы
1. Подвижность 137Сб и 90Бг в дерново-подзолистой тяжелосуглинистой почве определяется ее состоянием. Миграция этих радионуклидов в низлежащие слои почвенного профиля выше в ненарушенной почве с живыми корнями, следовательно, именно корни растений способствуют миграции радионуклидов вниз по профилю почвы. Несмотря на
это основная часть поллютантов остается в самом верхнем слое почв 0-1 см вне зависимости от их сложения и наличия живых корней растений.
2. Мелкая фракция почвенных агрегатов <0,5 мм благодаря наибольшей удельной поверхности обладает самой большой удельной активностью по сравнению с другими более крупными фракциями, что подтверждает первичное поглощение радионуклидов поверхностью почвенных агрегатов.
Библиографическийсписок
1. Алексахин В.М. Проблемы радиоэкологии: Эволюция идей. Итоги. М.: Рос-сельхозакадемия — ГНУ ВНИИСХРАЭ, 2006. — 2. Круглое С.В., Васильева Н.А., Куриное А.Д, Алексахин Р.М. Распределение радионуклидов чернобыльских выпадений по фракциям гранулометрического состава дерново-подзолистых почв. //Почвоведение. 1995. №5. С. 551 — 557. — 3. Таргульян В.О., Соколова Т.А., Бирина АТ, Куликов А.В., Целищееа Л.К.
Организация, состав и генезис дерново-палево-подзолистой почвы на покровных суглинках. Аналитическое исследование. Х Международный конгресс почвоведов. М. 1974. — 4. Фокин А.Д., Тор-шин С.П. Первичные градиенты концентраций и динамика состояния радионуклидов в почвах (на примере 137Cs). Межд. научн. семинар «Радиоэеология чернобыльской зоны». Тез. докл. Славутич, 27— 29 сент. 2006. С. 144—147. — 5. Фокин А.Д, Торшин С.П., Каупенйоханн М. Особенности первичного распределения поллютантов на агрегатном и профильном уровнях почв. Тез. докл. межд. конф. Биогеография почв. Сыктывкар, 2002. С. 49—50. — 6. Horn R. Kie bedeutung der aggregie-rung fur die nahrstoffsorption in boden // Z Pflanzenerenahr. Bodenk, 1987. V. 150. P. 13—16. — 7.Kayser AT, Wilcke W, Kaupenjohann M., Joslin J.K. Small scale heterogeneity of soil chemical properties. I A technique for rapid aggregate fractionation // Z Pflanzenerenahr. Bodenk, 1994. V.157. P. 453—458.
Рецензент — д. б. н. А.И. Карпухин
SUMMARY
The role of soil profile condition — damaged or undamaged — has been revealed in the article, various biological activity — in both radioactive cesium and radioactive strontium transport in descending water flow during atmospheric precipitation modernization. Living plants proved to forward more active movement of 137Cs and 90Sr in the soil. Features of radionuclides localization at aggregate level in soil have been studied. Primary concentration of radioactive toxic matter is found on their surface. Informative enough index — concentration coefficient (factor) — which describes well gradients of 137Cs and 90Sr concentrations, forming in soil, is offered in the article.
