Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Радиологические функции агрохимии в снижении негативньгх последствий загрязнения агроэкосистем радионуклидами 7
1.1. Общие сведения о распределении естественных и искусственных радионуклидов в окружающей среде 12
1.2. Характеристика биологического действия радиоактивного излучения 17
1.3. Единицы измерения радиоактивности и степени загрязнения радионуклидами объектов окружающей среды 25
1.4. Масштабы и особенности радиоактивного загрязнения природной среды при аварии на Чернобыльской АЭС 28
1.5. Ландшафтно-геохимические аспекты миграции радионуклидов 34
1.6. Поступление радионуклидов в растения 43
1.7. Поведение 137Cs и 90Sr в агроэкосистемах и почвенно-агрохимические факторы снижения негативных последствий загрязнения природной среды этими радионуклидами 52
ГЛАВА 2. Объекты, условия и методика проведения исследований 76
ГЛАВА 3. Состояние загрязнения агроэкосистем радионуклидами в зоне аварии на чаэс и динамика радиационно обстановки на территории центра русской равнины ... 81
3.1. Радиационный контроль и мониторинг в сельском хозяйстве после аварии на ЧАЭС..82
3.2. Степень радиоактивного загрязнения агроэкосистем на территории Центрального Нечерноземья : 90
3.3. Динамика изменения радиационной обстановки в агроэкосистемах после аварии на Чернобыльской АЭС 97
3.4. Почвенные факторы нормализации радиационной обстановки в агроэкосистемах 101
ГЛАВА 4. Поведение радионуклидов в системе почва-растение и закономерности поступления их в продукцию растениеводства 115
4.1. Аэральное загрязнение агроэкосистем 116
4.2. Биологическая доступность радионуклидов на загрязненных ими почвах 119
4.3. Особенности трансформации радионуклидов в почве, их подвижность и доступность 125
ГЛАВА 5. Агрохимические и агротехнические приемы снижения уровня накопления радионуклидов в продукции растениеводства 141
5.1. Эффективность агрохимических приемов снижения уровня накопления радионуклидов в растительной продукции 144
ГЛАВА 6. Прогнозирование степени загрязнения продукции растениеводства 163
6.1. Прогноз вероятного содержания 137Cs в растительной продукции в зависимости от плотности загрязнения почвы и обеспеченности ее питательными веществами 170
ГЛАВА 7. Основные мероприятия, направленные на получение «чистой» продукции животноводства 177
7.1. Мероприятия, уменьшающие количество радионуклидов в продукции животноводства при пастбищном содержании животных 183
7.2. Изменение режима кормления и состава рационов животных для уменьшения содержания радионуклидов в продукции животноводства 187
7.3. Перепрофилирование животноводческой отрасли АПК как средство снижения дозы радиоактивного облучения 198
ГЛАВА 8. Особенности специализации агроэкосистем в зонах с различными уровнями радиоактивного загрязнения 199
8.1. Масштабы проведения защитных мероприятий в сельском хозяйстве на
территории, подвергшейся радиоактивному загрязнению 204
8.1. Вклад защитных мероприятий в снижение уровня загрязнения
сельскохозяйственной продукции и уменьшение коллективных доз радиации 207
8.3. Планирование защитных мероприятий на отдаленный период после
аварии 210
ГЛАВА 9. Разработка приемов технологической и кулинарной обработки сельскохозяйственного сырья с целью снижения содержания радионуклидов в продукции 214
9.1. Снижение содержания радионуклидов в пищевых продуктах при технологической и кулинарной обработке в России 219
9.2. Производство витаминизированных продуктов питания с повышенными лечебно-профилактическими свойствами в России 228
9.3. Дезактивация продуктов питания в бытовых условиях 234
Заключение 241
Выводы 250
Предложения для использования 253
Список литературы
- Единицы измерения радиоактивности и степени загрязнения радионуклидами объектов окружающей среды
- Степень радиоактивного загрязнения агроэкосистем на территории Центрального Нечерноземья
- Биологическая доступность радионуклидов на загрязненных ими почвах
- Изменение режима кормления и состава рационов животных для уменьшения содержания радионуклидов в продукции животноводства
Введение к работе
Актуальность проблемы. Авария на Чернобыльской атомной электростанции 26 апреля 1986 г. признана одной из крупнейших техногенных катастроф в истории человечества. Массированное загрязнение обширных территорий, прилегающих к разрушенному 4-му блоку ядерного реактора, в результате выброса в окружающую среду очень большого количества радиоактивных веществ потребовало проведения комплекса широкомасштабных защитных мероприятий, направленных на улучшение радиологической обстановки и обеспечение радиационной безопасности населения. Одним из наиболее тяжелых экологических последствий аварии на ЧАЭС явилось радиоактивное загрязнение сельскохозяйственных угодий, а также природных экосистем (лугов, пастбищ, лесов и т.д.), определившее поступление радионуклидов в организм человека и последующее его облучение.
Авария на ЧАЭС с полным основанием рассматривается как «сельская авария». Во-первых, загрязнение сельскохозяйственных угодий и обусловленные этим производство и потребление продукции с повышенным содержанием радиоактивных веществ были и остаются одним из главных источников облучения населения, проживающего на загрязненных территориях. На всех этапах поставарийного периода вклад внутреннего облучения (т.е. облучения, связанного с потреблением загрязненных пищевых продуктов) составляет значительную долю в структуре суммарных дозовых нагрузок на человека (50% и более от общей дозы, достигая в отдельных случаях 70%). Во-вторых, радиоактивное загрязнение сельскохозяйственной сферы охватило очень большие площади. Только в границах зоны с плотностью загрязнения свыше 1 Ки/км (37 кБк/мО территория составила 150 тыс. км2. В-третьих, среди населения, подвергшегося облучению вследствие аварийного загрязнения окружающей среды, преобладают сельские жители. И, наконец, в-четвертых, дозы облучения селян выше, чем населения, проживающего в городах.
Аварию на ЧАЭС можно классифицировать как исключительно тяжелую для сельского хозяйства. Во-первых, регион аварии относится к зонам интенсивного агропромышленного производства, где сельскохозяйственный сектор является одним из основных в экономике. Во-вторых, плотность радиоактивного загрязнения на значительных территориях оказалась настолько высокой, что исключало производство и использование получаемой на них сельскохозяйственной продукции. В-третьих, в составе поступивших в результате аварии в окружающую среду радиоактивных веществ присутствовали биологически очень подвижные 90Sr, ш1 и 137Cs, которые интенсивно мигрируют по цепи: выпадения — почва - растения -животные и накапливаются в сельскохозяйственной продукции. Два из указанных радионуклидов (90Sr и 137Cs) относятся к долгоживущим продуктам деления (с периодом полураспада около 30 лет), что предопределяет длительную (десятки лет) опасность загрязнения сферы сельскохозяйственного производства. В-четвертых, к природным особенностям загрязненной территории надо отнести широкое распространение малоплодородных почв (торфяных и дерново-подзолистых легкого механического состава), в которых радионуклиды отличаются повышенной подвижностью и доступностью растениям и в избыточных концентрациях могут накапливаться в организме сельскохозяйственных животных. Наконец, в-пятых, авария на ЧАЭС произошла в весеннее время, которое с точки зрения радиологических последствий для сельского хозяйства оценивается как самый неблагоприятный период года.
С учетом вышеизложенного, выполнение системы защитных мероприятий в области агропромышленного производства на загрязненной территории явилось одним из ведущих звеньев общего комплекса работ по реабилитации региона, подвергшегося воздействию аварии на ЧАЭС. Эти контрмеры охватили практически все отрасли сельского хозяйства -земледелие, растениеводство, животноводство, переработку продукции. Была поставлена задача в сжатые сроки исключить производство и потребление пищевых продуктов с превышением допустимых норм содержания радионуклидов, возвратить сельскохозяйственные угодья, временно выведенные из использования, в оборот.
Следует отметить, что к тому времени, когда произошла авария на ЧАЭС, в нашей стране уже имелся опыт ликвидации последствий крупной радиационной аварии на объекте оборонной промышленности в Челябинске-40 (ПО «Маяк») в сентябре 1957 г. Был накоплен уникальный опыт по сбору радиоэкологической информации и реабилитации загрязненных территорий (в первую очередь в сельском и лесном хозяйстве), который был использован в Чернобыльском регионе. Однако масштабы уральской аварии и аварии на ЧАЭС несопоставимы. Достаточно указать, что зона аварийного загрязнения на Южном Урале составляла немногим более 1000 км , а на ЧАЭС - 150000 км . Помимо масштабов выброса радиоактивных веществ в окружающую среду, эти аварии существенно различались по радиоактивному составу выпадений, аграрной специфике загрязненных территорий, природно-климатическим условиям зоны загрязнения, времени года, когда произошли радиоактивные выпадения и по другим важным показателям. Кроме того, ко времени аварии на ЧАЭС результаты уральских радиоэкологических исследований в силу их секретности были известны лишь ограниченному кругу специалистов.
Таким образом, для эффективного выполнения работ по ликвидации последствий аварии на ЧАЭС потребовалось существенно пополнить имеющиеся знания в области сельскохозяйственной радиоэкологии, оценить поведение радионуклидов в агроэкосистемах применительно к разнообразным почвенно-климатическим условиям окружающей среды обширного загрязненного региона и с учетом специфики сельскохозяйственного производства на этой территории. Комплекс сложных задач, не имеющих аналогов в отечественной и мировой практике, необходимо было решить при широкомасштабном внедрении системы защитных мероприятий в аграрном секторе Чернобыльского региона. Ведущая роль в этой системе контрмер отводится агрохимическим средствам оптимизации почвенного плодородия - применению удобрений и мелиорантов, в наибольшей степени ограничивающим поступление радионуклидов из почвы через корневую систему в растения на первом, определяющем и доступном для регулирования этапе миграции их в трофической цепи почва-растение-животные-человек.
Цель и задачи исследований. Цель исследований состояла в установлении закономерностей изменения радиологического состояния агросферы в зоне техногенного загрязнения и оценке значимости почвенно-агрохимических факторов в нормализации радиационной обстановки на загрязненной территории.
В задачи исследований входило:
- оценить масштабы и степень радиоактивного загрязнения агроэкосистем в зоне чернобыльской аварии и выявить основные тенденции изменения радиационной обстановки на текущий момент и перспективу;
- изучить закономерности поведения Cs в почвах зоны радиоактивного загрязнения в зависимости от их генезиса, агрохимических свойств и питательного режима, определяющих подвижность радионуклидов в корнеобитаемом слое и поступление их в растения;
- исследовать влияние удобрений на уровень накопления радионуклида в растительной продукции в зависимости от плодородия почв, особенностей корневого питания полевых культур и естественных луговых трав;
- выявить возможности прогнозирования степени радиоактивного загрязнения полевых культур при выращивании на почвах с различной обеспеченностью подвижными соединениями фосфора и калия;
- установить основные закономерности накопления Cs в продукции животноводства и оценить комплекс агротехнических мер, направленных на улучшение качества мясо-молочной продукции;
Научная новизна. Впервые проведены комплексные радиологические исследования по оценке поведения радионуклидов в агросфере. Установлено, что радиоцезий достаточно прочно закрепляются в верхнем слое почвы и слабо мигрируют в нижележащие горизонты даже на легких почвах. Вместе с тем показано, что в условиях применения высоких доз минеральных удобрений, усиливается нисходящее передвижение Cs в почвенном профиле. Изучены возможности снижения уровня накопления радиоцезия культурами полевого севооборота путем оптимизации питательного режима супесчаных дерново-подзолистых почв. Показано, что по мере повышения содержания обменного калия и подвижных фосфатов в почве до определенных значений наблюдается снижение содержания Cs в продуктивной части озимой ржи, картофеля, ячменя, люпина, сераделлы до радиологически безопасных концентраций. Выявлено влияние форм выпадений радионуклидов (топливные частицы, газоаэрозольные компоненты) на их миграцию в агроэкосистеме. Исследована динамика подвижности радионуклидов в системе почва-растение в зависимости от форм выпадений и почвенных условий, а также особенности их накопления в агро- и биоценозах.
Обоснована определяющая роль сорбции и фиксации радионуклидов в почве в обеспечении доступности их растениям. Показаны различия в темпах миграции радионуклидов по сельскохозяйственным цепочкам в различных почвенно-климатических зонах и дана оценка значимости факторов, обусловливающих эти различия.
Положения, выносимые на защиту;
не имеющая аналогов в мировой практике, система ведения агропромышленного производства в условиях крупномасштабного радиоактивного загрязнения окружающей среды;
- масштабное радиактивное загрязнение сельхозугодий и медленное его снижение, требует дальнейшего совершенствования и внедрения комплекса мер по смягчению негативных последствий, особенно системы удобрений и химической мелиорации кислых почв;
- при специализации севооборотов и структуры посевных площадей в радиактивно загрязненных экосистемах учитывают биологические особенности сельхозкультур в накоплении радионуклидов в урожае, которые в одинаковых условиях выращивания и обеспечения фосфором и калием располагаются в следующем порядке: картофель озимая рожь, яровая и озимая пшеница кукуруза на силос сераделла люпин ячмень овес многолетние травы, пастбищные растения;
оптимизация свойств почвы, фосфорного и калийного питания растений путем применения соответствующих агрохимических средств снижает накопление радиоцезия в зерне озимой ржи и ячменя, в клубнях картофеля, в зеленой массе люпина и серадёлы до безопасного уровня;
- оптимизация агрохимических свойств почв и плодородия земель занятых сенокосами, пастбищами и другими кормовыми угодиями, путем применения агрохимических средств, является важным условием получения радиоэкологически безопасной продукции не только растениеводства, но и животноводства.
Практическая значимость.
Создана нормативная база для планирования структуры аграрного сектора и прогнозирования возможного уровня содержания радионуклидов в продукции растениеводства и животноводства при ведении сельского хозяйства на землях с различной степенью радиоактивного загрязнения. Разработан оригинальный комплекс защитных мероприятий в агроэкосистемах, что сыграло решающую роль в оздоровлении радиационной обстановки и эффективной реабилитации загрязненных сельскохозяйственных угодий. Результаты исследований использованы при подготовке научно-методических рекомендаций, нормативных документов и пособий, в которых изложены основные принципы ведения сельскохозяйственного производства в условиях радиоактивного загрязнения окружающей среды. В их числе «Радиационная безопасность в сельском хозяйстве» (М., 1998); «Ведение сельского хозяйства в условиях радиоактивного загрязнения» (Обнинск, 1999); «Почвенное плодородие и радионуклиды» (М., 2002). Обобщенные материалы, характеризующие динамику радиоактивного загрязнения территории и сельскохозяйственной продукции в зоне чернобыльской аварии, положены в основу разработки «Программы по защите населения России от воздействия Чернобыльской катастрофы на 1992-1995 гг. и на период до 2000 г.», а также являются одним из разделов в ежегодных докладах Президенту страны «О состоянии окружающей среды».
Апробация работы. Материалы, вошедшие в диссертацию, доложены на III Всесоюзной конференции по сельскохозяйственной радиологии (Обнинск, 1990); Международном семинаре «Проблемы смягчения последствий чернобыльской катастрофы» (Брянск, 1993; Всероссийской научно-практической конференции «Чернобыль: 10 лет спустя. Итоги и перспективы» (Брянск, 1996); Международной научно-практической конференции «Чернобыльская катастрофа: 12 лет спустя» (Москва, 1998); ); Всероссийской научной конференции «Научные основы ведения агропромышленного производства в условиях крупных радиационных аварий» (Обнинск, 1998). Международной научно-практической конференции «Проблемы ведения агропромышленного производства на радиоактивно загрязненных сельскохозяйственных землях в отдаленный после чернобыльской катастрофы период» (Брянск, 1999); Российско-белорусском совещании по предварительным итогам реализации «Программы совместной деятельности по преодолению последствий чернобыльской катастрофы на 2002-2005 годы» (Москва 2003); Международной научно-практической конференции «Производство экологически безопасной продукции растениеводства и животноводства» (Брянск, 2004); заседании кафедры агрохимии факультета почвоведения МГУ им. М.В. Ломоносова (Москва, 2005).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 37 научных работ, в том числе 4 монографии.
Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, 9 глав, заключения и выводов, изложена на 281 странице компьютерного текста, включая 91 таблицу и 4 рисунков. Список литературы насчитывает 280 наименований, в том числе 26 иностранных авторов.
Единицы измерения радиоактивности и степени загрязнения радионуклидами объектов окружающей среды
У растений и животных могут возникать соматические мутации в тканях - появление в различных органах видоизмененных клеток. Если при этом не затрагиваются клетки генеративных органов, то возникшие соматические мутации новому поколению не передаются. Предполагается, например, что одной из причин возникновения раковых опухолей являются соматические мутации, в частности, соматические мутации вызванные ионизирующими излучениями. Зависимость генетического действия излучения от дозы радиации имеет иной характер, чем зависимость физиологического действия. Установлено, что число мутаций пропорционально дозе излучения. Предполагается, что нижний порог мутагенного действия ионизирующих излучений отсутствует. Мутации возникают при любых дозах излучения, при которых еще возможна жизнедеятельность клетки или индивида.
В условиях Белорусского Полесья были изучены радиобиологические эффекты у сельскохозяйственных животных, содержащихся в зоне аварии Чернобыльской АЭС на территории с плотностью загрязнения 137Cs в пределах 370-2220 кБк/м2 и 90Sr в пределах 12-111 кБк/м2 в период 1986-1990 гг.[Ильязов с соавт., 2001]. Как показали исследования этих авторов, в конце стойлового периода у новорожденных телят отмечали гиперплазию щитовидной железы. Значительное увеличение в размерах щитовидной железы (до 10 раз и более) в отдельных случаях вызывало гибель новорожденного молодняка в первые сутки. Гиперплазия щитовидной железы наблюдалась у телят, в основном, до двухмесячного возраста. У телят более старшего возраста (3-6 мес.) не было отмечено случаев увеличения щитовидной железы, хотя у отдельных животных наблюдались изменения уровня тиреоидных гормонов в сыворотке крови. Анализ гематологических показателей у коров, содержащихся длительное время на территории с различной плотностью радиоактивного загрязнения, показал относительную стабильность цитологического спектра периферической крови. При анализе цитологического спектра белой крови отмечены различия относительных количеств моноцитов и базофилов. Так, относительное количество моноцитов было снижено в 2-10 раз на протяжении всего периода исследований. При оценке биохимических показателей сыворотки крови коров выявлено снижение содержания альбуминов у животных экспериментальных хозяйств в пастбищный период 1988 г. по сравнению с контрольными, однако в стойловый период 1989 г. данный показатель находился в пределах физиологической нормы у животных всех групп, в том числе и контрольной. Наблюдалось также снижение альфа-глобулиновой фракции до 5-9% и увеличение бета-глобулинов до 24% в сыворотке крови у животных в стойловый период 1989 г.
Результаты радиоиммунологического исследования гормонов сыворотки крови показывают, что у коров в наиболее загрязненных районах в первый период после аварии (1987-1988 гг.) отмечено существенное изменение уровня тиреоидных гормонов в сыворотке крови, что свидетельствует о нарушении функциональной деятельности щитовидной железы. В дальнейшем у коров отмечено восстановление функций щитовидной железы и уровня гормонов. Нарушения функции и структуры щитовидной железы сопровождалось изменениями в других органах и тканях (лимфатических узлах, легких, печени, почках, надпочечниках, поджелудочной железе, гипофизе и семенниках). Отмеченные патоморфологические изменения были обусловлены как прямым действием продуктов деления аварийного выброса, так и процессами синергизма (взаимного усиления) факторов внешней среды. Последнее связано с выраженным дефицитом йода, селена и других микроэлементов в почвах Белорусского полесья.
Воспроизводительные качества животных, эвакуированных из 30-км зоны в первый год после аварии, характеризовались нарушением половых циклов, рождением мертворожденных и с различными аномалиями телят. В период 1987-1990 гг. не отмечено существенного улучшения воспроизводительной функции наблюдаемых животных. За этот период средний процент яловых коров составил 33,8-59,6%, оплодотворяемость -41,7-74,8%. Продуктивные показатели животных характеризовались низкими значениями. Среднесуточные удои у коров с признаками радиационного поражения щитовидной железы были на 4-5 кг ниже, чем у здоровых животных. Спустя 3 года после аварии на ЧАЭС от выживших коров с признаками радиационного поражения щитовидной железы получено нормальное жизнеспособное потомство как первой, так и второй генерации по своим клинико-физиологическим показателям не отличавшееся от контрольных животных.
Радиоактивные изотопы редко встречаются в химически чистом виде и не всегда могут быть точно взвешены. Часто приходится иметь дело с очень малыми количествами радиоактивных веществ, что затрудняет определение точного их веса. Поэтому мерой количества радиоактивных веществ является не вес, а активность радиоизотопа. Активностью радиоактивного элемента называется число атомных распадов, совершающихся в этом элементе за 1 секунду. Следовательно, активность радиоизотопа определяется числом распадов за единицу времени и характеризует абсолютную скорость этого процесса. Чем больше радиоактивных превращений испытывает данный препарат в 1 секунду, тем больше его активность. Активность радиоактивного элемента пропорциональна его количеству и обратно пропорциональна периоду полураспада.
Степень радиоактивного загрязнения агроэкосистем на территории Центрального Нечерноземья
Применение аммиачной селитры под картофель вызывало увеличение уровня накопления радио-цезия в клубнях, что связывается автором как с вытеснением Cs в почвенный раствор ионами аммония, так и с подкислением среды под влиянием физиологически кислого азотного удобрения. Повышение размеров потребления цезия-137 в клубнях картофеля под влиянием интенсивных доз азотных удобрений (аммиачная селитра, мочевина) наблюдалось также в полевых опытах на дерново-подзолистых рыхлопесчаных почвах [Ставрова, Белоус, 1999]. Однако в этих условиях не выявлено усиления уровня поступления 137Cs в зерно озимой ржи и ячменя.
Вместе с тем, имеются данные, свидетельствующие об отсутствии влияния минерального азота на избыточное усвоение радионуклидов растениями на загрязненных ими почвах. Изучение эффективности возрастающих доз азотных удобрений в посевах многолетних трав показало, что под их воздействием не происходило значительного изменения удельной радиоактивности сена [Агеец, 2001]. Более того, в последние годы получены результаты, позволяющие по иному трактовать механизм взаимодействия иона аммония с Cs при течении сорбционных процессов в почве. Установлено [Круглов с соавт., 2005], что эффект зависит от дозы азотных удобрений, свойств почвы (прежде всего, емкости катионного обмена и емкости селективной сорбции) и текущей обеспеченности ее обменным аммонием. При внесении в дерново-подзолистую почву и выщелоченный чернозем аммонийного азота в определенных условиях (при низких концентрациях аммония) наблюдается дополнительная фиксация радио-цезия твердой фазой почв вследствие индуцированного ионом NH4+ коллапса межпакетного пространства глинистых минералов. Выявлена пороговая концентрация, после превышения которой вероятность коллапса снижается, а конкуренция NHU с Cs за места селективной сорбции возрастает. Поэтому дальнейшее увеличение концентрации NH4+ в почве уже способствует повышению содержания обменно-поглощенного радио-цезия и его концентрации в почвенном растворе. Исходя из этих данных, можно заключить, что при объективной оценке роли азотных удобрений в регулировании накопления радионуклидов растениями следует принимать во внимание, каков уровень внесения азота обеспечивается в каждом конкретном случае.
В этом отношении весьма информативны данные, полученные при проведении исследований с зерновыми культурами и картофелем на дерново-подзолистых песчаных почвах, загрязненных радио-цезием [Тулина, 2002]. Как показано автором, внесение умеренных доз азота под эти культуры (45-60 кг/га), обеспечивая существенный рост урожая (в 1,5 раза), способствовало лишь незначительному повышению содержания Cs в растениях. Резкое повышение размеров накопления этого радионуклида в сельскохозяйственной продукции наблюдалось только в случае применения двойной и тройной доз азотного удобрения, не оказывающих по сравнению с одинарной дозой, положительного влияния на продуктивность посевов, а в большей степени подкисляющих почву и снижающих содержание в ней обменных оснований. В серии вегетационных опытов было установлено, что одной из основных причин повышенного накопления радио-цезия растениями является дисбаланс в потреблении ими азота и калия при одностороннем внесении азотных удобрений на песчаных почвах, очень слабо обеспеченных обменным калием (4 мг/100 г). Устранение дефицита калия путем внесения калийного удобрения и навоза в полевых опытах и повышение содержания обменнопоглощенного калия в почве как минимум до 12 мг/100 г обеспечивало сбалансированный уровень азотного и калийного питания растений, благодаря чему поступление Cs в зерновые культуры резко понижалось (в зерне овса с 494 до 77 Бк/кг, в зерне озимой ржи - со 126 до 44 Бк/кг).
Дифференцированный подход к изучению влияния удобрений на размеры накопления радионуклидов растениями правомерен и применительно к фосфатам, роль которых в этом отношении оценивается неоднозначно. В ряде исследований внесение суперфосфата в почву приводило к резкому повышению уровня накопления Cs в урожае [Алексахин с соавт., 1992], причем на выщелоченном черноземе наблюдаемый эффект был выражен сильнее, чем на менее плодородных дерново-подзолистых и аллювиально-слоистой почвах. Аналогичные результаты получены и другими авторами [Кузнецов с соавт., 2002], которые выявили многократное (в вегетационных опытах - в 4,6 раза, в полевых - в 3,2 раза) повышение содержания радио-цезия в зерне и соломе зерновых культур под влиянием внесения водорастворимых фосфатов на дерново-подзолистых почвах. К сожалению, в данных работах отсутствуют сведения об исходной обеспеченности почвы подвижными фосфатами и эффективности фосфорных удобрений в продукционном процессе, что не дает возможности объективно оценить роль фосфора в изменении доступности радионуклидов растениям. В этом отношении весьма убедительны результаты исследований, характеризующие условия, при которых достигается ограничивающее действие фосфорных удобрений на поступление Cs в растения [Агеец, 2001]. Как показано автором, в том случае, когда почва слабо обеспечена подвижными фосфатами и выращиваемые на ней культуры хорошо реагируют на внесение фосфорного удобрения, под их влиянием наблюдается снижение уровня накопления радио-цезия в надземной биомассе горохо-овсяной смеси с 60 до 32,9 Бк/кг.
Более определенно сформулировано представление о влиянии полного минерального удобрения (NPK) на поступление радионуклидов в растения. Преобладающее большинство авторов полагают, что его применение в оптимальных дозах при сбалансированном соотношении элементов питания и особенно в случае преобладании калия в составе удобрения позволяет существенно ограничить концентрацию 137Cs в урожае сельскохозяйственных культур [Гулякин, Юдинцева, 1977; Юдинцева с соавт., 1982; Алексахин с соавт., 1992; Белоус, Шаповалов, 1999; Агеец, 2001; Арастович, 2004]. Применение полного минерального удобрения в посевах озимой ржи на рыхло-песчаных дерново-подзолистых почвах в среднем за пять лет втрое повышало урожай этой культуры и в такой же степени понижало содержание радио-цезия в зерне [Белоус, Шаповалов, 1999]. Эффективным приемом снижения уровня накопления 90Sr растениями на кислых дерново-подзолистых почвах является внесение полного минерального удобрения в сочетании с известкованием. В этих условиях достигается 54-процентное уменьшение содержания радио-стронция в биомассе райграса однолетнего [Малышко, Путятин, 2001]. Еще более контрастные результаты взаимодействия минеральных удобрений с доломитом получены при выращивании зерновых культур на дерново-подзолистой супесчаной почве с исходным рН 4,1 (при внесении доломита - рН 6,0) получены ранее [Юдинцева с соавт., 1982]. Как показано авторами, внесение доломита в качестве фона уменьшало накопление Sr на единицу массы зерна овса и ячменя в 2 раза. Применение минеральных удобрений (N100P80K80) на фоне доломита снижало поступление радио-стронция в зерне ячменя в 8 раз, в зерне овса - в 3 раза по сравнению с содержанием этого радионуклида в растениях, выращиваемых на почве без доломита. Минимальный уровень накопления 90Sr в зерне овса наблюдался на варианте с полным минеральным удобрением при повышенной дозе фосфора (N100P240K80) на фоне доломита.
Биологическая доступность радионуклидов на загрязненных ими почвах
Сложный характер аварийного выброса Чернобыльской АЭС привел к образованию зон радиоактивного загрязнения с различными физико-химическими свойствами выпадений. Было выделено три формы радионуклидов в выпадениях: радионуклиды, включенные в топливную матрицу, содержащиеся в аэрозолях различной дисперсности и в парогазовой фазе. Теоретически было высказано предположение о наличии двух противоположно направленных процессов - с одной стороны, разрушение содержащего радионуклиды матричного материала со временем и увеличение доступности Sr и Cs растениям, а с другой — фиксация радионуклидов твердой фазой почвы, способствующая снижению уровня поглощения их корневыми системами растений. Основным радиологически значимым радионуклидом в «чернобыльских» выпадениях является Cs. Из 147 за разного соотношения форм выпавшего Cs результирующая двух процессов (разрушения матрицы и фиксации радионуклида в почве) может быть различной.
До аварии на ЧАЭС при изучении миграции радионуклидов в системе почва-растение основное внимание уделялось поведению их водорастворимых форм. При выпадении радионуклидов в составе топливной компоненты динамика биологической доступности 137Cs имеет более сложный характер, что обусловливает необходимость проведения дополнительных исследований по изучению механизмов, определяющих поведение радионуклидов в почве. По свойствам выпадений были выделены две зоны - «ближняя», где в выпадениях преобладала топливная компонента и «дальняя», в которой выпадения были в основном в виде аэрозолей.
В 1986 г. содержание обменного Cs в почвах было максимальным и варьировало от 9,5 до 30,1%. В зоне мелкодисперсных конденсированных выпадений количество обменного радио-цезия в почвах было в 2-3 раза выше по сравнению с зоной, где преобладала топливная компонента в выпадениях. Динамика форм Cs зависела от свойств почв: сорбция этого радионуклида более интенсивно происходила в почвах гидроморфного ряда - в 1986-1995 гг. содержание в них обменной формы радио-цезия было в 2,5-2,7 раза меньше, чем в автоморфных почвах. На основании экспериментальных 1 47 данных установлено, что динамика обменной и подвижной форм Cs для почв автоморфного ряда аппроксимируется зависимостями типа: ft-at+bt e0,1, 147 где / - время после аварии; ft -доля Cs, находящегося в /-ой форме от общего содержания радионуклида.
Анализ динамики обменной и подвижной форм Cs в почвах для зон с существенной долей топливных частиц в составе выпадений, показал отсутствие четких закономерностей снижения содержания в них радио-цезия. Это связано с тем, что вследствие наложения процессов фиксации обменного и подвижного 137Cs и процессов выщелачивания из топливной матрицы изменение содержания радио-цезия в указанных формах имеет более сложный характер. Для прогнозирования поведения 137Cs в системе почва-растение в зонах с различным составом выпадений была разработана математическая модель [Алексахин с соавт., 2000], описывающая основные процессы, влияющие на динамику изменения биологической доступности этого радионуклида, включая: поступление выпадений в форме топливных частиц и легкорастворимых аэрозолей на поверхность растительности и дернины; деструкцию топливных частиц в дернине и почве с переходом Cs в корнеобитаемый слой почвы; перераспределение Cs между различными фракциями почвы и дернины; поступление радионуклидов из дернины и корнеобитаемого слоя почвы в растения; выщелачивание радионуклидов из корнеобитаемого слоя почвы.
Анализ данных с помощью разработанной модели показал, что к числу основных факторов, определяющих поведение Cs в луговых экосистемах, относятся характеристика дернины, свойства почвы и выпадений, причем роль и вклад каждого из этих факторов в динамику изменения уровня поступления радио-цезия в растения зависит от времени, прошедшего после выпадений. Выделено два периода, когда изменение содержания 137Cs в обменной форме протекало с различной интенсивностью. Первый период снижения полусодержания обменного Cs в почве составил 2,4-3,5 года, а второй - 4,5-12,6 года (табл. 27).
Изменение режима кормления и состава рационов животных для уменьшения содержания радионуклидов в продукции животноводства
Таким образом, по степени подверженности загрязнению продуктивной части урожая изучаемые культуры, выращиваемые в одинаковых условиях обеспеченности фосфором и калием, можно расположить в следующем убывающем порядке: овес, ячмень, люпин, сераделла, озимая рожь, картофель. Оптимизируя калийный и фосфатный режимы почвы, удается снизить содержание Cs в зерне озимой ржи, картофеля и ячменя, а также в зеленой биомассе люпина и сераделлы до безопасного уровня. Повышение обеспеченности почвы только этими элементами питания оказывается недостаточным для того, чтобы выращивать зерно овса, соответствующее радиологическим нормативам, действующим в настоящее время.
Как уже отмечалось выше, наиболее подвержены радиоактивному загрязнению естественные луговые травы, продолжающие накапливать радионуклиды даже спустя длительное время после аварии на ЧАЭС. Проведенные нами исследования показали, что поведение радионуклидов в системе почва-растение в луговых фитоценозах определяется следующими процессами: поступлением выпадений в различной физико-химической форме на надземную биомассу и дернину; деструкцией топливных частиц; поступлением 137Cs из дернины в корнеобитаемый слой почвы; перераспределением его между фракциями почвы; поступлением радионуклида из дернины и почвы в растительность.
Исследованиями установлено, что в 1986 г. содержание радио-цезия в растениях примерно в 1,5 раза было выше на участках, расположенных в зоне аэральных выпадений. На 2-й год после аварии содержание 137Cs в растениях резко снизилось (в 3-6 раз), так как преобладающим путем поступления его в надземные органы стало корневое усвоение. В зоне преобладания в составе радиоактивных выпадений топливной компоненты в 1988 г. наблюдалось увеличение в 1,2-1,5 раза содержания 137Cs в травостое по сравнению с 1987 г., что можно объяснить выщелачиванием радионуклида из топливной матрицы.
Начиная с 1989-1990 гг., значительное варьирование (до 20 раз) коэффициентов перехода Cs в растения было обусловлено преимущественно различиями в свойствах почв. Максимальные значения этого показателя отмечены для торфяно-болотных почв, что в 1,5-6 раз выше, чем для почв автоморфного ряда. В первые же три года после радиоактивных выпадений различия в содержании радио-цезия на разных типах почв были незначительными, что связано с поступлением части его из дернины. Влияние базального пути поступления Cs подтверждается экспериментальными данными по перераспределению радионуклида в почве, дернине и травостое. Период полуснижения содержания радио-цезия в дернине составляет 1,5 года, что хорошо согласуется со скоростью минерализации дернины, составляющей 3 года. В результате разложения дернины ее вклад в накопление растительностью снижается и на 5-й год после выпадений для автоморфных почв не превышает 6% и для гидроморфных почв - 11%.
Специфика поведения 90Sr в почвах, обусловленная свойствами радиоактивных выпадений, определила и особенности динамики накопления этого радионуклида в растениях. В процессе выщелачивания радио-стронция из топливной матрицы происходит высвобождение его в доступной для растений форме, вследствие чего наблюдается увеличение коэффициента перехода радионуклида в растения в течение первых 5-6 лет после аварии, а в последующем - стабилизация биологической доступности. В настоящее время коэффициенты перехода 90Sr в растениях близки значениям, которые были характерными для региона полесий в период глобальных выпадений.
Таким образом, многолетние радиоэкологические исследования, проведенные в регионе аварии на ЧАЭС, позволили изучить ряд важных закономерностей поведения основных техногенных радионуклидов в агросфере и их накопления растениями в условиях крупномасштабного радиоактивного загрязнения. Выявлено влияние форм выпадений радионуклидов (топливные частицы, газоаэрозольные выпадения) на их миграцию в агроэкосистемах. Исследована динамика биологической подвижности радионуклидов в системе почва-растение в зависимости от форм выпадений и почвенных условий. Обоснована определяющая роль сорбции и фиксации радионуклидов в почве в обеспечении доступности их растениям. Показаны различия в темпах миграции радионуклидов по сельскохозяйственным цепочкам в различных почвенно-климатических зонах и дана оценка значимости факторов, обусловливающих эти различия. Изучены видовые особенности накопления радионуклидов (главным образом 137Cs) различными сельскохозяйственными культурами и естественными фитоценозами.
Установлено, что радио-цезий и радио-стронций достаточно прочно закрепляются в верхнем горизонте почвы и слабо мигрируют в нижележащие горизонты даже на супесчаных и песчаных почвах. В месте с тем, показано, в условиях применения высоких доз минеральных удобрений, являющихся непременной составной частью системы агроприемов, направленных на снижение уровня накопления радионуклидов в продукции растениеводства, нисходящее передвижение Cs по почвенному профилю легких почв усиливается
