Сравнительный анализ поступления цезия-137 и калия-40 в травянистую растительность на радиоактивно загрязненной территории Тульской области

Введение

Ключевым вопросом оценки современной радиоэкологической ситуации в районах европейской части России, загрязненных ¹³⁷Cs вследствие чернобыльской аварии 1986 года, является установление параметров перехода радионуклида в растительность, которая непосредственно употребляется человеком в пищу или используется для скармливания сельскохозяйственным животным, что в конечном итоге вызывает увеличение дозовых нагрузок на население, передаваемых по пищевым цепочкам. Прогнозные оценки показывают, что наи-более пострадавшие в ходе чернобыльской катастрофы земли в пределах Брянской, Калужской, Орловской и Тульской областей будут сохранять свой статус вплоть до середины ХХI века, а

За период, прошедший с 1986 года, в наземных травянистых экосистемах радиоактивно загрязненных территорий сформировались относительно устойчивые биогеохимические циклы ¹³⁷Cs. При этом перенос ¹³⁷Cs в системе «почва-растение» определяется рядом факторов, которые можно объединить в группы: 1) физико-химические свойства радионуклида, его кларки и время, прошедшее после его поступления в экосистему, 2) свойства почв территории и особенности их антропогенного использования, 3) биологические особенности растений и 4) общие ландшафтно-климатические особенности местности и погодные условия текущего вегетационного сезона [3, 6, 8, 10 и др.]. Множественность факторов, которые влияют на параметры корневого поглощения радионуклидов, а также сложная причинно-следственная связь между кластерами почвенного и растительного ¹³⁷Cs определяют трудность прогноза радиоэкологического качества сельскохозяйственной продукции на загрязненных землях и важность установления фактических закономерностей перехода радиоцезия в растения.

Одним из важных факторов регуляции корневого потребления ¹³⁷Cs является содержание в почве доступных растениям форм калия. На антагонизме этих элементов построена система защитных мер по реабилитации пострадавших от радиации сельскохозяйственных угодий, в земли которых рекомендуется вносить повышенные дозы калийных удобрений [3]. В то же время, цезий и калий имеют сходные физико-химические свойства, благодаря чему ¹³⁷Cs проникает из почвы в клетки корневой системы растения по тем же ионным каналам, что и калий, поэтому эти элементы могут транспортироваться совместно [8]. В целом, доказано, что повышение содержания подвижного калия в почве снижает переход ¹³⁷Cs в растения, но связь не линейна, и зависит как от потребностей растений в калии, так и от соотношения цезия и калия в почве [6, 10].

Калий является одновременно биофильным, т. е. жизненно необходимым для растений элементом минерального питания, а также литофильным, т. е. преобладающим в составе минералов и горных пород элементом. Считается, что его естественный радиоизотоп ⁴⁰К относительно равномерно рассеян в биосфере по отношению к стабильному изотопу ³⁹К и составляет ≈0,012% от общего пула калия в природной среде [4]. В этой связи ⁴⁰К может быть маркером параметров общего распределения калия в системе «почва-растение» а соотношение ¹³⁷Cs/⁴⁰К может характеризовать биологические особенности фитоценозов для корректировки прогноза их радиоактивного загрязнения.

Цель исследования

На основе сравнительной характеристики параметров биогеохимических циклов ¹³⁷Cs и ⁴⁰К в травянистых экосистемах европейской части территории России, загрязненной выпадениями продуктов чернобыльской аварии, выявить аналогии и специфику в поведении радионуклидов.

Материал и методы исследования

Сравнительный анализ корневого поглощения техногенного ¹³⁷Cs и природного ⁴⁰К проводили на основе натурных исследований в пределах «Плавского радиоактивного пятна» Тульской области, где плотность поверхностного загрязнения почв радиоцезием после Чернобыльской аварии составляла 5–15 Ки/км². Определение содержания ¹³⁷Cs и ⁴⁰К производилось в почвах и растительности агрофитоценозов основных культур полевого севооборота (яровая пшеница сорта Мис, яровой ячмень сорта Нур, картофель Журавлинка), а также в природных луговых фитоценозах злаково-разнотравного суходольного луга (используемого как пастбище) и влажного разнотравно-злакового пойменного луга (травостой которого может подвергаться сенокошению). Агрофитоценозы располагались на возвышенной и относительно выположенной части водораздельной поверхности, природные луга были приурочены к нижним частям склонов и пойме р. Локна. В совокупности участки пробоотбора составляли катену геохимического сопряжения, почвенные компоненты которой были представлены черноземами выщелоченными, типичными и аллювиальными луговыми карбонатными почвами.

Надземную часть фитомассы определяли методом сплошных укосов с площадок 50^х50 см, подземную отмывали из монолитов почв с площадью сечения 25^х25 см и глубиной 30 см (основной корнеобитаемый слой). Одновременно на каждой площадке отбирались образцы почв с глубины 0–30 см. Все исследования проводились в 4-кратной повторности. Определение содержания ¹³⁷Cs и ⁴⁰К в почвах и растительности проводилось на сцинтилляционном гамма-спектрометре с обработкой амплитудного спектра импульсов с помощью программы ПРОГРЕСС.

Результаты исследования и их обсуждение

¹³⁷Cs в целинных почвах прочно фиксируется поверхностными горизонтами и редко проникает на глубину свыше 5–10 см, в пахотных почвах он относительно равномерно распределяется по мощности пахотного горизонта [3]. Современные уровни удельной активности ¹³⁷Cs в почвах исследованной части Плавского радиоактивного пятна составляют ~500–1100 Бк/кг, что соответствует плотности поверхностного радиоактивного загрязнения ~200–430 Бк/м² (или 5–12 Ки/км²). При этом величины удельной активности и запасов ¹³⁷Cs в 30-см слое луговых фитоценозов в 1,5–2 раза больше, чем в пахотных черноземах агрофитоценозов (табл.1). Природные и полуприродные луга на целинных почвах сохранились на неудобных для сельскохозяйственной обработки участках ландшафта. Они служат конечным звеном миграции веществ, поступающих в составе эрозионного твердого стока с пахотных угодий. Таким образом почвы геохимически подчиненных позиций рельефа на территориях, пострадавших вследствие чернобыльской аварии, аккумулируют существенно большее количество радиоцезия, и плотность их радиоактивного загрязнения в настоящее время существенно выше, чем у почв водоразделов [7].

Таблица 1 — Величины удельной активности ¹³⁷Cs и ⁴⁰К в почвах травянистых фитоценозов Плавского радиоактивного пятна

В то же время, распределение ⁴⁰К в системе сопряженных почв ландшафта Тульской лесостепи неспецифично и характеризуется существенно меньшим разбросом величин (89 Бк/кг против 627 Бк/кг для ¹³⁷Cs), что определяется равномерным рассеянием элемента по природным средам. В общем балансе гамма-излучения, создаваемого в исследуемых почвах ¹³⁷Cs и ⁴⁰К, в пахотных черноземах водоразделов соотношение радиоизотопов составляет ≈ 1:1, а в почвах луговых фитоценозов ≈ 2:1, что говорит о экологически выраженном участии техногенных радионуклидов в формировании внешней дозы воздействия на биологические объекты.

В условиях повышения плотности радиоактивного загрязнения почв в депрессиях рельефа произрастающая там растительность (с высокой долей участия многолетних видов растений) также отличается повышенным на порядок содержанием ¹³⁷Cs, но сравнительно мало различающимся уровнями накопления ⁴⁰К (табл.2). Диапазон колебания величин удельной активности первого составляет 698 Бк/кг, второго — 181 Бк/кг. Среди сельскохозяйственных культур средневзвешенная активность ¹³⁷Cs несколько больше в сообществах зерновых, в частности, ячменя, хотя потребляемые надземные части культурных злаков содержат минимальные количества радионуклида.

Таблица 2 — Величины удельной активности ¹³⁷Cs и ⁴⁰К в растительности травянистых сообществ радиоактивно загрязненной территории

Величины удельной активности ¹³⁷Cs в надземной части растительности исследованных фитоценозов ранжируются по убыванию: суходольный луг (злаково-разнотравный) > картофель > влажный луг (разнотравно-злаковый) > ячмень, пшеница. Это во многом определяется составом растительных сообществ и биологическими особенностями его доминантных видов, поскольку известно, что злаки накапливают в своей надземной части наименьшее количество ¹³⁷Cs [3].

В то же время подземная корневая часть культурных злаков и луговой растительности характеризуется очень высокими величинами удельной активности ¹³⁷Cs, которые в 15–40 раз превышают уровни концентрации радионуклида в надземной части. Особенно высок контраст распределения величин удельной активности ¹³⁷Cs между корнями растений и их зеленой частью в природных луговых фитоценозах, где значительную долю растений составляют многолетние злаки. Факт существенно повышенной концентрации ¹³⁷Cs в корневой массе растений по сравнению с фракцией побега был установлен рядом зарубежных исследователей на основании лабораторных модельных экспериментов [6, 9, 10], но лишь в единичных случаях подтвержден натурными наблюдениями в вегетационных опытах [5]. Контрастное и специфическое для групп растений распределение ¹³⁷Cs между корнями и побегами свидетельствует о сложных физиологических механизмах транслокации радионуклида и наличии защитных барьеров, препятствующих поступлению избыточного количества ¹³⁷Cs в побеги. Кроме того, известно, что часть ¹³⁷Cs в ризосфере может оставаться в составе отмершей корневой биомассы, что замедляет его переход в минеральную часть почвы с последующей прочной фиксацией на глинистых минералах, но благоприятствует реутилизации радионуклида в растения.

Распределение величин удельной активности ¹³⁷Cs по надземной и подземной фракциям агрофитоценоза картофеля практически равномерно (1:0,8 соответственно), что определяется абсолютным доминированием в подземной фрак-ции клубней картофеля, которые являются видоизмененными побегами и, следовательно, способны накапливать ¹³⁷Cs в результате транслокации из корней, а не путем непосредственного поглощения. Таким образом, биологические особенности растений существенно влияют на параметры аккумуляции ¹³⁷Cs в фитомассе.

Специфика накопления растениями природного ⁴⁰К существенно отличается от биогеохимических особенностей ¹³⁷Cs. Во всех изученных растительных сообществах удельная активность ⁴⁰К в надземной фракции фитомассы в 1,2–1,4 раза выше, чем в подземной. Особенно выражена аккумуляция ⁴⁰К в зеленых частях картофеля (в 4 раза больше, чем в клубнях), который относится к калие-фильным сельскохозяйственным культурам и в целом отличается более высокими величинами удельной активности ⁴⁰К. Известно, что калий составляет основную часть катионов клеточного сока и сосредоточен в молодых тканях растений с высоким уровнем обмена веществ. В травянистых растениях он концентрируется в молодых листьях, причем на свету прочность удерживания калия в растительных клетках выше, чем в темноте. В этой связи относительное накопление ⁴⁰К в надземной фракции фитомассы исследованных фитоценозов служит отражением подобного распределения стабильного калия по органам растений.

Анализ зависимости уровней аккумуляции радионуклидов в растительности сельскохозяйственных и природных травянистых фитоценозов от уровней их накопления в почвах (рис.) показывает, что величины удельной активности природного ⁴⁰К практически инвариантны, в то время как удельная активность техногенного ¹³⁷Cs в фитомассе тесно зависит от радиоактивного загрязнения территории (с коэффициентом детерминации R² 0,99). При высоких уровнях поступления ¹³⁷Cs в травянистые экосистемы он может, таким образом, активно внедряться в биогеохимические циклы и даже превалировать в них над ⁴⁰К.

Рисунок — Зависимость величин удельной активности ¹³⁷Cs и ⁴⁰К в растительности

Мерой интенсивности биогеохимических циклов в радиоэкологии принято считать коэффициент накопления К_н, который рассчитывается как отношение величин удельной активности радионуклида в сухой массе растений и почвы [2, 3]. Коэффициенты накопления ¹³⁷Cs в фитомассе исследованных растительных сообществ составляют 0,1–0,2 для агроценозов культурной растительности и 0,6 для растительности природных лугов (табл. 3), что говорит об отсутствии избирательного поглощения радионуклида из почвы.

Таблица 3 — Коэффициенты накопления ¹³⁷Cs и ⁴⁰К в растительности травянистых сообществ радиоактивно загрязненной территории

При этом значения К_н ¹³⁷Cs в надземной фракции всех фитоценозов не превышают значения 0,1, а в подземной фракции — значения 0,8. Частные величины К_н в вегетативной и корневой фитомассе зерновых культур (агроценозы пшеницы и ячменя) и многолетних трав (фитоценозы суходольного и влажного лугов) очень близки между собой, что свидетельствует о схожести механизмов подавления транслокации ¹³⁷Cs и закономерной локализации основной массы поглощенного радионуклида в корнях. В агрофитоценозе картофеля распределение величин К_н, как и распределение самих величин удельной активности ¹³⁷Cs равномерно.

Коэффициенты накопления ⁴⁰К в растительной фитомассе в 2–2,5 раза выше, чем у ¹³⁷Cs и, за исключением агрофитоценоза картофеля, достаточно однородно распределены между надземной и подземной фракциями, составляя величину 0,3–0,6. В агрофитоценозе картофеля уровни его перехода в подземную бесхлорофилльную часть растений не уступают параметрам корневого поглощения ⁴⁰К в остальных растительных сообществах, но также ярко проявляется преимущественное накопление

Ранжированный порядок увеличения значений К_н в исследованных растительных сообществах для характеристики поглощения ¹³⁷Cs: картофель < ячмень, пшеница < влажный луг, суходольный луг; для ⁴⁰К: пшеница, ячмень, суходольный луг < картофель < влажный луг.

Таким образом, коэффициенты накопления ⁴⁰К в основном определяются биологическими особенностями растений, а ¹³⁷Cs — зависят еще и от уровня радиоактивного загрязнения территории. При этом, чем выше соотношение ¹³⁷Cs/⁴⁰К в почве, тем больше будет это соотношение и в фитомассе, что может негативно отразиться на физиологических процессах, протекающих в растении.

Заключение

Сопоставление величин удельной активности и распределения природного ⁴⁰К и техногенного ¹³⁷Cs по надземной и подземной фракциям фитомассы на радиоактивно загрязненной территории Тульской области выявляет существенные различия в биогеохимических циклах радионуклидов. ¹³⁷Cs характеризуется контрастным распределением между корнями и побегами, что свидетельствует о подавлении его транслокации в зеленые части растений, а общий объем его накопления в растительности определяется биологическими особенностями видов и плотностью радиоактивного загрязнения почв. ⁴⁰К равномерно распределен по органам растений с несколько большей аккумуляцией в надземной фракции фитомассы, а величины его удельной активности сравнительно слабо зависят от уровней содержания в почвах.

Благодарности

Полевые работы проводились на средства гранта РФФИ № 10-05-00976 в составе комплексной экспедиции Географического ф-та МГУ им. М. В. Ломоносова, сотрудникам которого — д. г. н. Голосову В. Н., к. г. н. Беляеву В. Р., к. г. н. Маркелову М. В. и к. г. н. Ивановой Н. Н. — авторы приносят искреннюю благодарность. Неоценимый вклад в проведение полевых работ внесен студентами ф-та Почвоведения МГУ им. М. В. Ломоносова Матвеевым Я. В. и Семенихиным А. И.

Список литературы

1. Атлас современных и прогнозных аспектов последствий аварии на Чернобыльской АЭС на пострадавших территориях России и Беларуси. — Москва-Минск, 2009. — 135 с.
2. Санжарова Н. И., Фесенко С. В., Шубина О.А., Исамов Н. Н. (мл.), Санжаров A. И. Пересмотр параметров миграции радионуклидов в агроэкосистемах // Радиац.биология. Радиоэкология, 2009; Т.49, N 3. С. 268–276.
3. Сельскохозяйственная радиоэкология / ред. Р. М. Алексахин, Н. А. Корнеев. — М., 1992. — 400 с.
4. Титаева Н. А. Ядерная геохимия. М., 2000. — 336 с.
5. Abu-Khadra S. A., Abdel-Sabour M. F., Abdel-Fattaah A. T., Eissa H. S. Transfer Factor of Radioactive Cs and Sr from Egyptian Soils to Roots and Leafs of Wheat Plant // IX Radiation Physics and Protection Conference. 15–19 November 2008, Nasr City-Cairo, Egypt, 185–196 p.
6. Ehlken S., Kirchner G. Environmental processes affecting plant root uptake of radioactive trace elements and variability of transfer factor data: a review // J. Environ. Radioactivity. 2002. Vol. 58, p.97–112.
7. Golosov v. N. Redistribution of sediments within small river catchments in the agricultural zone of Russia // Geomorphologie: Relief, Proc., Environ. 1998. vol. 1. P.53–64.
8. Hampton C. R, Broadley M. R, White P. J. Short review: The mechanisms of radiocaesium uptake by Arabidopsis roots // Nukleonika 2005. vol.50. S3-S8.
9. Show G., Bell J. N. B. The Kinetics of Caesium Absorbtion by Roots of Winter Wheat and the Possible Consequences for the Derivation of soil-to-Plant transfer Factors for Radiocaesium // J. Environ. Radioactivity. 1989. Vol. 10, p.213–231.
10. Staunton S., Hinsinger P., Guivarch A., Brechignac F. Root uptake and translocation of radiocaesium from agricultural soils by various plant species // Plant and Soil. 2003. Vol. 254, p.443–455.