CC BY
5
УДК 631.95
DOI: 10.24412/1728-323X-2023-5-27-31
ПРИМЕНЕНИЕ НЕТРАДИЦИОННЫХ УДОБРЕНИЙ ДЛЯ СНИЖЕНИЯ НАКОПЛЕНИЯ РАДИОЦЕЗИЯ В СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОЙ ПРОДУКЦИИ
М. В. Тютюнькова, к. б. н, доцент кафедры «Экология и промышленная безопасность» КФ МГТУ им. Н. Э. Баумана, tyutyunkova82@mail.ru, г. Калуга, Россия,
Ю. В. Леонова, к. б. н, доцент кафедры землеустройства и кадастров Калужского филиала Российского государственного аграрного университета — МСХА имени К. А. Тимирязева, natrolit@mail.ru, г. Калуга, Россия,
С. Д. Малахова, к. б. н, доцент кафедры агрономии Калужского филиала Российского государственного аграрного университета — МСХА имени К. А. Тимирязева, sd.malakhova@mail.ru, г. Калуга, Россия
Аннотация. В данной статье рассмотрены вопросы по оценке эколого-радиационного состояния почв на территории Калужской области радиометрическими методами на спектрометрическом комплексе «Гамма Плюс», рассчитана удельная эффективная активность техногенных радионуклидов почвы. На основе полученных данных о содержании радионуклидов в почвах ряда районов Калужской области показано составление прогноза уровней содержания радионуклидов в урожае сельскохозяйственных культур, выращенных на загрязненной почве. В качестве защитного мероприятия по снижению накопления радиоцезия в сельскохозяйственных культурах изучено применение осадков сточных вод с иловых площадок очистных сооружений канализации. Полученные данные позволили доказать эффективность применения в качестве удобрений сертифицированных осадков сточных вод под зерновые культуры на территориях, подверженных радиоактивному загрязнению в результате аварии на Чернобыльской АЭС. Внесение осадков сточных вод повышает урожайность культур и снижает удельную активность радионуклидов в получаемой продукции растениеводства.
Abstract. In this article, the issues of assessing the ecological and radiation state of soils in the Kaluga Region are considered by radiometric methods at the Gamma Plus spectrometric complex, the specific effective activity of technogenic soil radionuclides is calculated. Based on the obtained data on the content of radionuclides in the soils of a number of districts of the Kaluga Region, the preparation of a forecast of the levels of radionuclides in the harvest of crops grown on contaminated soil is shown. As a protective measure to reduce the accumulation of radio caesium in crops, the use of wastewater sludge from sludge sites of sewage treatment facilities was studied. The data obtained made it possible to prove the effectiveness of using certified sewage sludge for grain crops as fertilizers in the areas susceptible to radioactive pollution as a result of the Chernobyl accident. The introduction of sewage sludge increases crop yield and reduces specific activity of radionuclides in the obtained crop production.
Ключевые слова: радиометрические методы, почва, осадок сточных вод, удельная эффективная активность, радиоактивное загрязнение, плотность загрязнения, продукция растениеводства.
Keywords: radiometric methods, soil, sewage sludge, specific effective activity, radioactive contamination, pollution density, crop production.
Радионуклиды попадают в состав природных экосистем вследствие таких событий, как ядерные испытания, радиационные аварии, выбросы предприятий атомной промышленности и ядерной энергетики. Значительные площади агро-сферы загрязнены радиоцезием Чернобыльского следа. Это служит причиной участия радионуклидов в биогеохимических процессах миграции, накопления в продукции сельского хозяйства, попадания в рацион человека, что приводит к внутреннему облучению.
После аварии на Чернобыльской АЭС радиоцезий (цезий-137) является основным дозообра-зующим радионуклидом. Его содержание и поведение во внешней среде во многом определяет степень пригодности зараженных территорий для сельскохозяйственного использования [1,2].
Цезий-137 — дочерний продукт р-распада ксе-нона-137 (Т/ = 3,8 мин).
137С8 претерпевает р-распад (Т/ = 30,17 лет), в результате которого сначала образуется изомер
137mlga (р/2 = 2,55 мин), который превращается в стабильный изотоп бария - 137 (137Ba).
137 v 13^ I — I _ 54-Xe ^ 55CS + e + ve;
55CS ^ 5бВа + e + ve.
В качестве исходного звена миграции радионуклидов по пищевой цепочке выступает почва. Данный факт обуславливает необходимость более подробного изучения почвенных процессов, которые оказывают влияние на подвижность радиоактивных элементов.
Рассмотрим возможность использования осадков сточных вод как фактора, снижающего уровень миграции радионуклидов.
К настоящему времени иловые площадки очистных сооружений канализации накопили значительные объемы осадков сточных вод (ОСВ). При этом уже имеется достаточный положительный научный и практический опыт по почвенно-
№5, 2023
27
му пути их утилизации в сельском хозяйстве [3]. В сельскохозяйственной радиологии обобщен экспериментальный материал о способах снижения миграции радионуклидов из почвы в растения: внесение минеральных удобрений [3, 4], известкование, внесение органических удобрений и глинистых минералов, органоминеральных комплексов [5], использование сапропеля [6]. Эффективность применения ОСВ в качестве противора-дионуклидного способа в агросфере в настоящее время не изучена.
Целью настоящего исследования явилось проведение оценки эколого-радиационного состояния почв на территории Калужской области (страна) радиометрическими методами и изучение применения ОСВ в качестве защитного мероприятия по снижению накопления радиоцезия в сельскохозяйственной продукции.
Объектами настоящего исследования явились:
1. Почвы, отобранные на территории городского округа г. Калуги (Калужский бор), а также Ферзиковского, Хвастовичского, Бярятинского и Юхновского районов Калужской области;
2. ОСВ с иловых площадок очистных сооружений канализации г. Калуги, качество которых подтверждается соответствующими сертификатами;
3. Дерново-подзолистые супесчаные почвы с удельной активностью 5 Ки/км2;
4. Сельскохозяйственные культуры — овес сорта Скакун и ячмень сорта Владимир.
В схему опыта с ОСВ были включены следующие варианты:
1. Без применения ОСВ (контроль);
2. Применение ОСВ в объеме 10 т/га сухого вещества;
3. Применение ОСВ в объеме 20 т/га сухого вещества;
4. Применение ОСВ в объеме 30 т/га сухого вещества.
Осадки сточных вод были внесены осенью под вспашку. Опыт был заложен в трехкратной пов-торности. Площадь делянки — 50 м2, размещение делянок одноярусное, систематическое. Учет урожая производился сплошным методом.
Отобранные образцы почвы и зерна исследовались на спектрометрическом комплексе «Гамма Плюс» в нативном материале. Данный комплекс производит измерения по двум трактам (р- и у-лучи). Программное обеспечение «Прогресс», прилагаемое к УСК «Гамма Плюс», позволяет провести расчет и сопоставить результаты измерений и значения нормативных показателей, содержащиеся в действующей нормативно-методической документации, а также оформлять необходимые документы (журналы, протоколы) в
электронном виде с возможностью печати любого из них на усмотрение пользователя. В приборе для гамма-детектора используется сосуд Марин-нели, а для бета-излучения — кювета Бетта.
Действие спектрометрического комплекса «Гамма Плюс» заключается в преобразовании энергии ионизирующего излучения в электрические импульсы, которые посредством аналого-цифрового преобразователя (АЦП) трансформируются в цифровой сигнал. В дальнейшем цифровой сигнал подвергается обработке программным обеспечением «Прогресс».
В ходе исследования была определена концентрация природных и искусственных радионуклидов в почвенных образцах. Исходя из полученных результатов, был проведен расчет некоторых статистических показателей по техногенным радио -нуклидам в местах наблюдения. В соответствии с НРБ-99/2009 определен уровень эффективной удельной активности естественных радионуклидов (Азфф), содержащихся в почве, и удельной активности 08-137.
Проведенное исследование позволило сделать выводы относительно удельной активности 08-137 в различных образцах почв, зависимости урожайности зерновых культур от внесения различных доз ОСВ и содержания радиоцезия в зерне в условиях применения осадков сточных вод в качестве удобрений.
Результаты исследования образцов почв представлены на рисунке 1.
Территория с наиболее высоким значением удельной активности 08-137 — Хвастовичский район. Полученные данные не превышают установленных норм НРБ-99/2009.
На основе полученных данных составляют картограммы. Далее возможно составление прогноза содержания радионуклидов в продукции растениеводства, получаемой на зараженных территориях.
Существует несколько удовлетворительных методов прогноза возможного содержания 13708 в урожае культур при выращивании их на таких почвах.
Рассмотрим один из них: расчет с использованием коэффициента перехода (Кп).
Для составления прогноза при других значениях (Ап ф 1 Ки/км2), необходимо данное значение КП (табличная величина) умножить на уровень радиоактивного загрязнения поля.
Ар = Кп ' Ап,
где Ар — прогнозируемое загрязнение урожая Ки/кг; Кп — коэффициент пропорциональности (перехода); Ап — плотность загрязнения почвы, Ки/км2.
25-
22 09
' ■ Удельная активность Сз-137, Бк/г
20- -
"-^^^^ -^^
Ю-8,6---8 01-
■ 6,36
----
Ферзиковскии Калужский Хвастовичский Барятинскии Юхновский
район бор район район район
Рис. 1. Результаты оценки удельной активности Сь-137 в различных образцах почв
[Составлено авторами]
Перевод удельного содержания 08-137 в почве из Бк/кг в Бк/км2 следующий:
Бк/км2 = Бк/кг-ё-И-Ю7,
где ё — плотность вещества г/см3; И — глубина отбора пробы, см.
Для снижения подвижности радионуклидов проводят различные мероприятия:
— агротехнические приемы: проведение глубокой вспашки различными методами, замена механической прополки химической и т. д.;
— агрохимические методы регулирования поступления радионуклидов. Использование таких приемов приводит не только к уменьшению радиоактивного загрязнения, но и к повышению урожайности культур и плодородности почв. Для уменьшения миграции 13708 используют калийные удобрения, так как 13708+ поглощается почвенными минералами и занимает места К+ в кристаллических структурах. Это связанно с близкими ионными характеристиками К+ и 13708+. Элемент К+ по своим физико-химическим характеристикам близок с ионом 13708 + и конкурирует за места селективной сорбции в минералах [7].
Эффективность внесения органических удобрений связана с включением радионуклидов в органоминеральные комплексы в почве. Кроме того, происходит проникновение органических молекул в межпакетные пространства глинистых минералов, что удерживает их в открытом состоянии и сдвигает сорбционные центры вглубь решетки [8, 9];
— рациональный посев культур — один из самых простых методов по снижению накопления радионуклидов. Культуры, которые наиболее предрасположены к накоплению 08-137 и большому потреблению калия (горох, рапс, бобовые), следует высаживать на более чистых участках плодородных почв среднесуглинистого состава.
К числу причин, вызывающих уменьшение содержания радионуклидов в продукции растениеводства, относится эффект «разбавления», т. е. при увеличении урожайности культуры наблюдается снижение концентрации радионуклидов в продукции. Следовательно, реализация мероприятий по повышению урожайности позволит обеспечить более низкие показатели содержания радионуклидов.
При внесении ОСВ наблюдалось увеличение урожайности зерновых культур, с достаточно высокой достоверностью описываемое логарифмической функцией, представленной на рисунке 2.
Основные результаты исследований по применению ОСВ в качестве защитного мероприятия по снижению накопления радиоцезия в сельскохозяйственной продукции представлены на рисунке 3.
Из данных рисунка 2 следует, что внесение ОСВ положительно воздействует на урожайность зерновых культур, максимальная урожайность 34 ц/га наблюдалась при внесении дозы
Рис. 2. Урожайность зерновых культур (овес, ячмень) в зависимости от различных доз ОСВ (усредненные данные за 2018—2020 гг., ц/га) [Составлено авторами]
№5, гогз
29
Вариант опыта (доза внесения ОСВ, т/га)
Рис. 3. Содержание радиоцезия в зерне овса и ячменя в условиях применения осадков сточных вод (усредненные данные за 2018—2020 гг., за 100 % принята удельная активность зерна в контрольном варианте без ОСВ) [Составлено авторами]
ОСВ 30 т/га. При этом наблюдается постепенное уменьшение эффекта от внесения ОСВ при увеличении дозы внесения, что говорит об уменьшении отдачи от каждой дополнительной единицы ресурса (удобрения).
Снижение радиоцезия в продукции зерновых культур при увеличении дозы внесения ОСВ наиболее точно описывает степенная функция, представленная на рисунке 3. При наибольшей дозе внесения ОСВ, используемой в опыте, содержание радиоцезия уменьшилось до уровня 15 % от контрольной величины. Значение достоверности аппроксимации, равное 0,9958, позволяет гово-
рить о достаточно точных прогнозах содержания исследуемого радионуклида при использовании в качестве радиомелиоранта ОСВ.
Данные, представленные на рисунках 2 и 3, позволяют заключить о наличии защитных про-тиворадионуклидных функций у ОСВ при их почвенной утилизации в качестве удобрения зерновых культур. Содержание радиоцезия в зерне яровых культур в зависимости от дозы ОСВ может снижаться в 2,5—6,5 раза.
Наличие радиомелиоративного эффекта ОСВ, с нашей точки зрения, объясняется следующим:
1. При использовании ОСВ в качестве удобрения повышается урожайность зерновых культур, что способствует возникновению эффекта «разбавления» радиоцезия в большем объеме биомассы.
2. Внесение ОСВ в почву повышает ее сорб-ционную емкость по отношению к радиоцезию.
3. Из-за сложного органо-минерального полиэлементного состава ОСВ блокируется механизм поступления радиоцезия в корневую массу зерновых культур.
Таким образом, используя сертифицированные ОСВ в качестве удобрений зерновых культур, можно добиться повышения их урожайности и, одновременно, снижения концентрации радионуклидов, в частности удельной активности радиоцезия, в продукции растениеводства, получаемой на территориях, подвергшихся радиоактивному загрязнению после аварии на Чернобыльской АЭС.
Библиографический список
1. Плющиков В. Г. Сельскохозяйственная радиоэкология: учебно-методическое пособие / В. Г. Плющиков, О. Г. Семенов; Гос. образовательное учреждение высш. проф. образования «Российский ун-т дружбы народов», Каф. безопасности жизнедеятельности и упр. природными и техногенными рисками. — Москва: Изд-во Российского ун-та дружбы народов, 2006. — 20 с.
2. Фокин А. Д. Сельскохозяйственная радиология: учебник для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлениям «Агрохимия и агропочвоведение», «Агрономия», «Садоводство», «Технология производства и переработки сельскохозяйственной продукции» / А. Д. Фокин, А. А. Лурье, С. П. Торшин; А. Д. Фокин, А. А. Лурье, С. П. Торшин. — 2-е издание, переработанное и дополненное. — Санкт-Петербург: Издательство «Лань» — 2011. — 415 с. — ISBN 9785811411238.
3. Сюняев Н. К, Лазарев Н. Н., Сюняева О. И., Тютюнькова М. В. Комплексная оценка эффективности использования отходов быта и производства в сельском хозяйстве. — Москва: РГАУ-МСХА, 2015. — 253 с.
4. Санжарова Н. И., Сысоева А. А., Исамов Н. Н., Алексахин Р. М., Кузнецов В. К., Жигарева Т. Л. Роль химии в реабилитации сельскохозяйственных угодий, подвергшихся радиоактивному загрязнению // Рос. хим. ж. Т. XLIX. — 2005. — № 3.
5. Цыбулько Н. Н. Поступление 137Cs в зерно яровой пшеницы при разных уровнях азотного и калийного питания на антропогенно-преобразованной торфяной почве // Весщ Нацыянальнай акадэми навук Беларусь Серыя аграрных навук. — 2018. — Т. 56. — № 2. — С. 164—174.
6. Assessment of the contamination level of a podzolized сЬегшжет with nuclides in a long-term land use / H. Hospodarenko, I. Prokopchuk, O. Nikitina, V. Liubych // Agriculture (Polnohospodarstvo). — 2019. — Vol. 65. — No 3. — P. 128—135. — DOI: 10.2478/agri-2019-0013.
7. Effect of new organo-mineral complex gumiton on translocation of cd and 137Cs in barley plants from soddy-podzolic soil at technogenic pollution / A. N. Ratnikov, D. G. Sviridenko, S. P. Arysheva [et al.] // Journal of Advanced Research in Dynamical and Control Systems. — 2020. — Vol. 12. — No. S2. — P. 543—549. — DOI: 10.5373/JARDCS/V12SP2/ SP20201103.
8. Леонова Ю. В. Агроэкологическая оценка применения отходов быта и производства на дерново-подзолистых почвах Калужской области / Ю. В. Леонова, М. В. Тютюнькова, Я. Э. Овчаренко // АгроЭкоИнфо. — 2020. — № 3 (41). — С. 8.
9. Биологическая активность дерново-подзолистой супесчаной почвы в условиях применения нетрадиционных удобрений / М. В. Тютюнькова, Ю. В. Леонова, Т. А. Спасская, О. И. Сюняева // АгроЭкоИнфо. — 2019. — № 3 (37). — С. 8.
APPLICATION OF NON-TRADITIONAL FERTILIZERS TO REDUCE THE ACCUMULATION OF RADIO CAESIUM IN AGRICULTURAL PRODUCTS
M. V. Tyutynkova, Ph. D. (Biology), Federal State Budgetary Educational Institution of Higher Education "Bauman Moscow State Technical University" (Kaluga Branch), tyutyunkova82@mail.ru, Kaluga, Russia,
Y. V. Leonova, Ph. D. (Biology), Reader of the Department of Agriculture of the Branch of the Russian State Agrarian University — Moscow Timiryazev Agricultural Academy in Kaluga, natrolit@mail.ru, Kaluga, Russia, S. D. Malakhova, Ph. D. (Biology), Reader of the Department of Agriculture of the Branch of the Russian State Agrarian University — Moscow Timiryazev Agricultural Academy in Kaluga, sd.malakhova@mail.ru, Kaluga, Russia
References
1. Plyushhikov V. G. Sel'skoxozyajstvennaya radioe'kologiya: uchebno-metodicheskoe posobie / V. G. Plyushhikov, O. G. Se-menov; V. G. Plyushhikov, O. G. Semenov; Gos. obrazovatel'noe uchrezhdenie vy'ssh. prof. obrazovaniya "Rossijskij un-t druzhby' narodov", Kaf. bezopasnosti zhiznedeyatel'nosti i upr. prirodny'mi i texnogenny'mi riskami. Moskva, Izd-vo Ros-sijskogo un-ta druzhby' narodov. 2006. 20 p. [in Russian].
2. Fokin A. D. Sel'skoxozyajstvennaya radiologiya: uchebnik dlya studentov vy'sshix uchebny'x zavedenij, obuchayushhixsya po napravleniyam "Agroximiya i agropochvovedenie", "Agronomiya", "Sadovodstvo", "Texnologiya proizvodstva i pere-rabotki sel'skoxozyajstvennoj produkcii" / A. D. Fokin, A. A. Lur'e, S. P. Torshin; A. D. Fokin, A. A. Lur'e, S. P. Torshin. 2-e izdanie, pererabotannoe i dopolnennoe. Sankt-Peterburg, Izdatel'stvo "Lan'". 2011. 415 p. ISBN 9785811411238 [in Russian].
3. Syunyaev N. K., Lazarev N. N., Syunyaeva O. I., Tyutyun'kova M. V. Kompleksnaya ocenka e'ffektivnosti ispol'zovaniya otxodov by'ta i proizvodstva v sel'skom xozyajstve. Moscow, RGAU-MSXA. 2015. 253 p. [in Russian].
4. Sanzharova N. I., Sy'soeva A. A., Isamov N. N., Aleksaxin R. M., Kuzneczov V. K., Zhigareva T. L. Rol' ximii v reabilitacii sel'skoxozyajstvenny'x ugodij, podvergshixsya radioaktivnomu zagryazneniyu. Ros.xim.zh t. XLIX. — 2005. No. 3 [in Russian].
5. Tsybul'ko N. N. Postuplenie 137Cs v zerno yarovoj pshenicy pri razny'x urovnyax azotnogo i kalijnogo pitaniya na antro-pogenno-preobrazovannoj torfyanoj pochve. Vesczi Nacyyanalnaj akademii navuk Belarusi. Seryya agrarnyx navuk. 2018. Vol. 56. No. 2. P. 164—174 [in Belarusian].
6. Assessment of the contamination level of a podzolized shernozem with nuclides in a long-term land use / H. Hospodarenko, I. Prokopchuk, O. Nikitina, V. Liubych. Agriculture (Polnohospodarstvo). 2019. Vol. 65. No. 3. P. 128 —135. DOI: 10.2478/ agri-2019-0013 [in Slovenia].
7. Effect of new organo-mineral complex gumiton on translocation of cd and 137Cs in barley plants from soddy-podzolic soil at technogenic pollution / A. N. Ratnikov, D. G. Sviridenko, S. P. Arysheva [et al.]. Journal of Advanced Research in Dynamical and Control Systems. 2020. Vol. 12. No. S2. P. 543—549. — DOI: 10.5373/JARDCS/V12SP2/SP20201103 [in Russian].
8. Leonova Yu. V. Agroe'kologicheskaya ocenka primeneniya otxodov by'ta i proizvodstva na dernovo-podzolisty'x pochvax Kaluzhskoj oblasti / Yu. V. Leonova, M. V. Tyutyun'kova, Ya. E'. Ovcharenko. AgroEkolnfo. 2020. No. 3 (41). P. 8 [in Russian].
9. Biologicheskaya aktivnost' dernovo-podzolistoj supeschanoj pochvy' v usloviyax primeneniya netradicionny'x udobrenij / M. V. Tyutyun'kova, Yu. V. Leonova, T. A. Spasskaya, O. I. Syunyaeva. AgroEkolnfo. 2019. No. 3 (37). P. 8 [in Russian].
№5, 2023
31
