Influence of Moisture Regime on the Redistribution of Radioactive Cesium and Strontium Isotopes in Alluvial Soils by Physico-Chemical Forms

全文:

Авария на Чернобыльской атомной электростанции (ЧАЭС) 1986 года привела к значительному загрязнению территории Республики Беларусь долгоживущими радионуклидами ¹³⁷Cs и ⁹⁰Sr. Сегодня этим радионуклидам принадлежит основная роль в формировании радиационного фактора, ограничивающего ведение хозяйственной деятельности. Поведение радиоактивных изотопов цезия и стронция в системе “почва–растение”, а также переход этих радионуклидов по пищевым цепям во многом определяются их распределением по физико-химическим формам нахождения в почве. На этапе перехода к ситуации существующего облучения влияние фактора времени на процессы перераспределения ¹³⁷Cs и ⁹⁰Sr по физико-химическим формам практически исчезло. На первый план выходит влияние агрохимических и агрофизических характеристик почвы, режима увлажнения, воздействие почвенной биоты. Поэтому изменение погодно-климатических условий, прежде всего посредством влияния на водный режим и биоту, способно оказать косвенное влияние на переход дозообразующих радионуклидов чернобыльского происхождения по пищевым цепям. В настоящей работе дана оценка влияния режима увлажнения пойменных почв, их механического состава и других характеристик на распределение ¹³⁷Cs и ⁹⁰Sr по биодоступным физико-химическим формам на этапе отдаленных последствий чернобыльской катастрофы.

Корневое поступление Cs⁺ и Sr²⁺ происходит преимущественно из почвенного раствора, в котором их концентрация находится в динамическом равновесии с сорбированными формами данных элементов, обладающими различной степенью избирательности и коэффициентами распределения [1, 2].

Сорбция ионов Cs⁺ в почвенной среде происходит по трем основным типам: неселективная сорбция в почвенном поглощающем комплексе; селективная сорбция на гранях выветривания слоистых глинистых силикатов со структурой 2 : 1 (FES), сорбция в участках особо высокой селективности, расположенных в межслойных пространствах глинистых силикатов (HAS) [3]. Сорбция ионов Sr²⁺ в почве возможна по двум механизмам: в почвенном поглощающем комплексе и в составе малорастворимых соединений [4].

В почвенном поглощающем комплексе сорбция Cs⁺ и Sr²⁺ не избирательна, аналогична другим катионам с соответствующим зарядом (K⁺, Na⁺, NH₄⁺, Ca²⁺, Mg²⁺ и др.). Обменная физико-химическая форма Cs и Sr извлекается из почвенного поглощающего комплекса 1М раствором ацетата аммония.

На FES селективность сорбции Cs⁺ в 200 раз выше по сравнению с NH₄⁺ и в 1000 раз выше по сравнению с K⁺ [5, 6]. Другие ионы, присутствующие в сколько-нибудь значимых количествах в почве, не подвергаются сорбции на FES. Ионы Cs⁺ и K⁺ из участков селективной сорбции могут поступать в почвенный раствор при смещении равновесия в системе, поэтому они являются потенциально доступными для корневого поступления в растения. Экстракция Cs⁺ и K⁺ из FES может быть осуществлена с помощью раствора тетрафенилбората натрия.

Важность учета подвижной (извлекаемой 1М раствором HCl) формы ⁹⁰Sr обусловлена тем, что она может быть доступна для корневого поступления в растения, хотя и не так быстро, как водорастворимая и обменная формы [7].

Даже при невысокой плотности загрязнения пойменные луга являются довольно значимым источником поступления радиоактивных изотопов цезия и стронция в пищевые цепи. Данная ситуация сохраняется и в отдаленный после аварии на Чернобыльской АЭС период [8]. В связи с внутригодовой и межгодовой вариабельностью водного режима пойм актуальным является выявление закономерностей перераспределения радиоактивных изотопов цезия и стронция по физико-химическим формам в типичных аллювиальных почвах в зависимости от режима их увлажнения. Данные закономерности важны для уточнения прогноза загрязнения растений пойменных экосистем долгоживущими радионуклидами в зависимости от особенностей влагообеспеченности вегетационного периода.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДИКА

Объекты исследования. Для проведения исследований образцы почвы были отобраны на двух реперных участках, расположенных в центральной пойме р. Припять на территории Полесского государственного радиационно-экологического заповедника (далее ПГРЭЗ) в окрестностях бывшего н. п. Красноселье.

 

Рис. 1. Расположение реперных участков № 1 (51.552553° N 29.903605° E) и № 2 (51.553727° N 29.88925° E) в пойме р. Припять.

Fig. 1. Position of the sampling plots No. 1 (51.552553° N 29.903605° E) and No. 2 (51.553727° N 29.88925° E) in the floodplain of the Pripyat River.

 

Схема расположения реперных участков и их координаты представлены на рис. 1. Данные участки имеют характерный для центральной поймы р. Припять почвенный и растительный покров, но различаются по степени увлажнения, гранулометрическому составу и агрохимическим показателям почвы, а также составу растительных сообществ.

Почва участка № 1 аллювиальная дерново-глееватая, развивающаяся на супесчаном аллювии (рис. 2, А). Грунтовые воды находятся на уровне 0.,9–1.2 м, что свидетельствует об оптимальном гидрологическом режиме благоприятном для произрастания растений. Как правило, при таком режиме происходит минимальное накопление радионуклидов. Растительность участка № 1 представлена разнотравно-осоково-злаковой ассоциацией.

 

Рис. 2. Фотографии почвенных прикопок на реперном участке № 1 (А) и репереном участке № 2 (Б).

Fig. 2. Photographs of soil pits at the sampling plots № 1 (A) and № 2 (B).

 

Участок № 2 имеет выраженное отличие от первого по гидрологическому режиму и растительному покрову (рис. 2Б). Почва участка № 2 аллювиальная (пойменная) дерново-глеевая, развивающаяся на песчаном аллювии (см. табл. 1). Участок влажный, расположен в пониженном месте с высоким стоянием грунтовых вод (0.5–0.8 м). Растительный покров реперного участка № 2 характеризуется разнотравно-осоковой ассоциацией, с наличием осоковых кочек.

 

Таблица 1. Описание почвенных разрезов реперных участков № 1 и № 2

Table 1. Description of soil profiles on the sampling plots № 1 and № 2

Реперный участок № 1 51,552553° N 29,903605° E		Реперный участок № 2 51.553727° N 29,88925° E
Горизонт	Описание	Горизонт	Описание
А1 0–23 см⁻¹	Супесь связная коричневато-серого цвета, структура комковатая, прочная, густо пронизана корнями растений переход в нижележащий горизонт постепенный	А0 0–5 см⁻¹	Дернина темно-коричневая
		А1 5–18 см⁻¹	Песок мелкозернистый связный буровато-серого цвета, пронизан корнями растений переход в нижележащий горизонт ясный
А1В1 23–45 см⁻¹	Супесь рыхлая буровато-коричневого цвета, переход в следующий горизонт постепенный	А1В1g 18–42 см⁻¹	Песок рыхлый сизовато-белесого цвета, с сизыми глеевыми и охристыми пятнами переход в следующий горизонт постепенный
В1g 45–90 см⁻¹	Супесь рыхлая желтовато-белесого цвета с сизыми глеевыми и охристыми пятнами, переход заметный	В1g 45–70 см⁻¹	Супесь рыхлая желтовато-белесого цвета, переход постепенный
В2g 90–130 см⁻¹	Песок мелкозернистый связный оглеенный, серовато-сизого цвета	В2g 70–110 см⁻¹	Песок мелкозернистый рыхлый оглеенный, серовато-сизого цвета

 

Описание почвенных профилей участков № 1 и № 2 приведено в табл. 1.

Образцы почвы для исследований на реперных участках отбирались на глубину 20 см⁻¹ и тщательно перемешивались. Результаты их агрохимического и радиологического анализа представлены в табл. 2.

 

Таблица 2. Агрохимическая и радиологическая характеристика почв реперных участков

Table 2. Agrochemical and radiological characteristics of soils on the sampling plots

Показатель	Реперный участок № 1	Реперный участок № 2
Гумус, %	3.25±0.07	7.75±0.16
pHKCl	4.47±0.20	4.34±0.20
pHH2O	5.22 ± 0.03	5.15 ± 0.04
[Caобм], мг/кг	1394 ± 203	1253 ± 175
[Mgобм], мг/кг	106.4 ±10.7	101.1 ±2.1
[NH4+обм], мг/кг	5.96±0.89	14.82±0.22
[Kподв], мг/кг	23.7 ± 0.4	29.3 ± 0.9
[Р2О5подв], мг/кг	55.5±10.6	34±4.6
[Feвал], мг/кг	5810 ± 50	4085 ± 115
Гигроскопическая влажность, %	3.26 ± 0.04	4.14 ± 0.07
Полная влагоемкость, %	58.4 ± 1.1	73.6 ± 0.8
[¹³⁷Cs], Бк/кг	5836±344	7820±460
[⁹⁰Sr], Бк/кг	629 ± 61	190 ± 27
Механический состав, %
2–1 мм	0.4	2.4
0,5–1 мм	23.5	12.1
0,25–0,5 мм	16.5	52.9
0,1–0,25 мм	37.9	25.0
< 0,1 мм	21.8	7.6

 

Из представленных в таблице данных следует, что полная влагоемкость почвы реперного участка № 2 на 25% выше, чем реперного участка № 1. Почва участка № 2 содержит существенно больше органического вещества. Обе почвы характеризуются повышенным содержанием обменного кальция (1394 и 1253 мг/кг), но низким содержанием подвижного калия (23.7–29.3 мг/кг). Исследуемые почвы относятся к среднекислым, что обусловливает повышенную доступность исследуемых радионуклидов для растений [9]. Преобладающей фракцией механического состава почвы реперного участка № 1 является фракция с размерами частиц 0.1–0.25 мм, вклад фракции <0.1 мм составляет 21.8%. Механический состав почвы реперного участка № 2 смещен в сторону более крупных фракций.

Хотя реперные участки расположены недалеко друг от друга, высокая мозаичность радиоактивного загрязнения в зоне отчуждения Чернобыльской АЭС привела к тому, что различия между ними по удельной активности ⁹⁰Sr составляют почти 3 раза, по удельной активности ¹³⁷Cs – почти 1.3 раза. Причем удельная активность ⁹⁰Sr выше на первом реперном участке, ¹³⁷Cs – на втором.

Методика исследования. Для оценки влияния режима увлажнения аллювиальной почвы на распределение радиоактивных изотопов цезия и стронция по физико-химическим формам был заложен эксперимент в камеральных условиях. Образцы почвы массой 500–600 г (по воздушно-сухой массе) были помещены в сосуды, где их влажность весовым методом доводилась до 40, 70, 85 и 100% от полной влагоемкости. Выбранный диапазон имитирует различные уровни увлажнения почвы, которые могут возникать в период вегетации (от засухи до переувлажнения). Сосуды накрывали полимерной пленкой и экспонировали при заданной влажности и комнатной температуре 70–80 сут для ¹³⁷Cs и 21 сут – для ⁹⁰Sr. Влажность почвенных образцов контролировали по их массе, в случае необходимости почву дополнительно увлажняли.

По окончании заданного периода проводилось определение запаса ⁹⁰Sr в водорастворимой, обменной, подвижной и фиксированной формах, ¹³⁷Cs в обменной, водорастворимой и лабильной формах, а также общее содержание радионуклида. Содержание ¹³⁷Cs и ⁹⁰Sr в определяемых физико-химических формах рассчитывали в процентах от их общего содержания в почве.

Содержание форм нахождения радионуклида ¹³⁷Cs определялось методом селективного экстрагирования в трехкратной повторности. Водорастворимая форма извлекалась дистиллированной водой в соотношении 1:10 на протяжении 24 ч. Обменная форма извлекалась 1 моль/л раствором ацетата аммония (рН 7.0) в соотношении 1 : 10 на протяжении 24 ч. Лабильной формой в настоящем исследовании обозначен ¹³⁷Cs, извлекаемый тетрафенилборатом натрия [10–12].

Для определения физико-химических форм нахождения ⁹⁰Sr в пойменных почвах использовали метод последовательных экстракций, предложенный Ф.И. Павлоцкой: водорастворимую – извлекали дистиллированной водой, обменную – 1 моль/л раствором ацетата аммония, подвижную – 1 моль/л раствором соляной кислоты. Соотношение между почвой и экстрагирующим раствором составляло 1 : 5, время экстракции – 24 ч. После последней экстракции кислотой остаток почвы высушивали и определяли содержание ⁹⁰Sr в фиксированной (труднодоступной) форме.

Содержание ¹³⁷Cs в экстрактах определяли на гамма-спектрометрическом комплексе Canberra с коаксиальным полупроводниковым детектором из высокочистого германия в плоской счетной мишени диаметром, равным диаметру детектора, и объемом 100 мл. Содержание ⁹⁰Sr в экстрактах оценивали методом радиохимического анализа по β-активности дочернего изотопа ⁹⁰Y на радиометре КРК-1-01. Химический выход ⁹⁰Sr в пробах устанавливали методом пламенной атомно-абсорбционной спектрофотометрии на установке ZEEnit 700, выход носителя иттрия определяли гравиметрическим методом.

Математическую и статистическую обработку данных проводили в среде iPython с использованием библиотек Pandas и SciPy языка Python, Подготовка иллюстраций осуществлена с использованием библиотек Matplotlib и Seaborn. Для представления данных вычислялась средняя арифметическая величина, в качестве меры разброса данных использовано стандартное отклонение. Оценка значимости влияния фактора выполнена с использованием двухфакторного дисперсионного анализа.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Долю экстрагируемых из почвы дистиллированной водой радиоактивных изотопов цезия и стронция можно рассматривать в качестве показателя их содержания в почвенном растворе. Это наиболее доступная для корневого поступления форма нахождения ионов щелочных и щелочноземельных металлов, и ее доля довольно тесно связана с коэффициентом накопления радионуклидов растениями. Следует также отметить, что радионуклиды в водорастворимой форме наиболее подвижны в почве и участвуют в процессах вертикальной и горизонтальной миграции с потоками воды и за счет диффузии.

 

Рис. 3. Влияние влажности почвы на долю ¹³⁷Cs и ⁹⁰Sr в водорастворимой форме в дерново-глееватой на супесчаном аллювии почве (1) и дерново-глеевой на песчаном аллювии почве (2). Планки погрешностей – стандартное отклонение.

Fig. 3. Effect of soil moisture on the share of water-soluble ¹³⁷Cs and ⁹⁰Sr in sod-gleyed soil on sandy-loam alluvium (1) and sod-gley soil on sandy alluvium (2). Error bars are standard deviation.

 

В супесчаной почве реперного участка № 1 доля ¹³⁷Cs в водорастворимой форме форме существенно выше по сравнению с песчаной почвой реперного участка № 2, 0.22–1.13% и 0.12–0.44% соответственно (рис. 3). На супесчаной почве увеличение влажности почвы с 40% от полной влагоемкости до 70% и выше приводит практически к пятикратному повышению доли водорастворимой формы. Колебания значений доли водорастворимой формы с изменением влажности в песчаной почве не столь сильные. При влажности почвы 40–85% от полной влагоемкости доля водорастворимой формы составляет 0.12–0.19% и несколько снижается по мере увеличения влагообеспеченности. При переходе к 100% влажности доля водорастворимой формы ¹³⁷Cs резко увеличивается до 0.44%. Различия в пороге влажности, при котором происходит резкое изменение доли водорастворимой формы ¹³⁷Cs в почвах, вероятно, обусловлено особенностями состояния комплексов специфического связывания цезия.

Не выявлено зависимости содержания ⁹⁰Sr в водорастворимой форме от особенностей аллювиальных почв обоих исследуемых участков. Доля ⁹⁰Sr в этой форме составляет 2% при влажности почвы 40–85% от полной почвенной влагоемкости и падает до 1% при увеличении влажности до 100%.

 

Таблица 3. Двухфакторный дисперсионный анализ влияния влажности и характеристик почвы на долю физико-химических форм ¹³⁷Cs

Table 3. Two-way ANOVA analysis of the influence of the soils moisture and their other characteristics on the speciation of ¹³⁷Cs

Фактор	Водорастворимая	Обменная	Лабильная
Влажность почвы	3.57* 0.118	0.68 –0.008	40.49** 0.062
Участок / характеристики почвы	27.24** 0.403	104.40** 0.817	1717.62** 0.891
Совместное влияние факторов	3.06 0.095	0.71 –0.007	22.96** 0.034
Примечание. Над чертой – F-критерий Фишера, под чертой – сила влияния фактора (ω2), * – влияние фактора достоверно на уровне значимости p < 0.05, ** – влияние фактора достоверно на уровне значимости p < 0.01.

 

Результаты двухфакторного дисперсионного анализа показывают, что на долю водорастворимой формы ¹³⁷Cs в аллювиальных почвах оказывают влияние прежде всего характеристики почвы (табл. 3), но значимо также влияние влажности почвы. В отношении ⁹⁰Sr ситуация иная: дисперсионный анализ подтверждает высокую значимость влияния влажности почвы на долю этого радиоизотопа в водорастворимой форме (табл. 4).

 

Таблица 4. Двухфакторный дисперсионный анализ влияния влажности и характеристик почвы на долю физико-химических форм ⁹⁰Sr

Table 4. Two-way ANOVA analysis of the influence of the soils moisture and their other characteristics on the speciation of ⁹⁰Sr

Фактор	Водорастворимая	Обменная	Подвижная
Влажность почвы	10.87** 0.595	25.90** 0.203	3.87* 0.097
Участок /характеристики почвы	0.01 –0.020	222.39** 0.602	41.07** 0.450
Совместное влияние факторов	0.037 –0.058	16.96** 0.130	6.43** 0.183
Примечание. Над чертой – F-критерий Фишера, под чертой – сила влияния фактора (ω2), * – влияние фактора достоверно на уровне значимости p < 0.05, ** – влияние фактора достоверно на уровне значимости p < 0.01.

 

В то же время характеристики аллювиальной почвы не продемонстрировали значимого влияния на данный показатель.

Таким образом, зависимость доли водорастворимых форм ¹³⁷Cs и ⁹⁰Sr от режима увлажнения почвы на этапе отдаленных последствий радиоактивных выпадений имеет различный характер. Если для радиоактивного изотопа цезия характерен тренд к росту данного показателя с увеличением влажности почвы, то доля ⁹⁰Sr в водорастворимой форме снижается в два раза при полном насыщении почвы водой по сравнению с долей ⁹⁰Sr в почвах с пониженными уровнями влагообеспеченности. Исследуемые почвы относятся к гидроморфным, находятся в условиях длительного подъема грунтовых вод к поверхности почвы. В этих условиях практически все потенциально водорастворимые формы радионуклидов переходят в почвенный раствор. Если гидроморфные почвы имеют контакт с большим объемом свободной воды, способной как экстрагировать водорастворимые формы, так и отдавать их в процессе сорбции, то соотношение физико-химических форм ⁹⁰Sr зависит от параметров динамического равновесия процесса сорбции/десорбции.

Экспериментальные результаты свидетельствуют, что для аллювиальных почв изменение степени влагообеспеченности почвы не влияет на содержание ¹³⁷Cs в обменной форме. Вместе с тем доля ионообменной формы ¹³⁷Cs существенно зависит от свойств исследуемых почв (F = 104.40; p < 0.01), обусловленных особенностями гидрогеологического строения территории поймы. Среднее содержание ¹³⁷Cs в этой форме не превышает 1.8% от общего содержания радионуклида в дерново-глееватой почве на супесчаном аллювии и составляет около 0.6% в дерново-глеевой почве на песчаном аллювии (рис.4).

 

Рис. 4. Влияние влажности почвы на долю ¹³⁷Cs и ⁹⁰Sr в ионообменной форме в дерново-глееватой на супесчаном аллювии почве (1) и дерново-глеевой на песчаном аллювии почве (2). Планки погрешностей – стандартное отклонение.

Fig. 4. Effect of soil moisture on the share of ion-exchange ¹³⁷Cs and ⁹⁰Sr in sod-gleyed soil on sandy-loam alluvium (1) and sod-gley soil on sandy alluvium (2). Error bars are standard deviation.

 

Изменение степени влагообеспеченности пойменной дерново-глееватой почвы развивающейся на супесчаном аллювии существенно не повлияло на содержание ⁹⁰Sr в обменной форме (70–77% от его общего содержания в почве). В отношении пойменной дерново-глеевой почвы, развивающейся на песчаном аллювии при повышении влагоемкости от 40 до 100% ПВ наблюдается существенное увеличение доли ⁹⁰Sr в обменной форме (в 2.8 раза). Доля обменной формы является одной из важных характеристик относительной подвижности и биологической доступности ⁹⁰Sr в почве. Полученные результаты свидетельствуют о высокой мобильности ⁹⁰Sr в дерново-глееватой почве на супесчаном аллювии в широком диапазоне влажности. В дерново-глеевой почве на песчаном аллювии мобильность данного радионуклида существенно возрастает с повышением влагообеспеченности. О сильной зависимости доли обменной формы ⁹⁰Sr от характеристик аллювиальной почвы свидетельствуют и результаты дисперсионного анализа (F = 222.39; p < 0.01).

Двухфакторный дисперсионный анализ указывает на значимое влияние как характеристик аллювиальных почв, так и режима их увлажнения на долю лабильной формы ¹³⁷Cs. Доля этой формы существенно выше в дерново-глеевой почве на песчаном аллювии по сравнению с дерново-глееватой на супесчаном аллювии (рис. 5). Причем в первом варианте доля лабильной формы практически линейно увеличивается с ростом влагообеспеченности. В почве на супесчаном аллювии заметное увеличение доли лабильной формы радиоактивного изотопа цезия наблюдается только при переходе к влажности 100% от полной влагоемкости.

 

Рис. 5. Влияние влажности почвы на долю ¹³⁷Cs в лабильной и ⁹⁰Sr в подвижной формах в дерново-глееватой на супесчаном аллювии почве (1) и дерново-глеевой на песчаном аллювии почве (2). Планки погрешностей – стандартное отклонение.

Fig. 5. Effect of soil moisture on the share of labil ¹³⁷Cs and moble ⁹⁰Sr in sod-gleyed soil on sandy-loam alluvium (1) and sod-gley soil on sandy alluvium (2). Error bars are standard deviation.

 

Лабильная форма представляет собой цезий, сосредоточенный на участках селективной сорбции, а также значительную часть элемента из участков особо высокой селективности. Радиоактивные изотопы цезия из этой формы могут быть ремобилизованы в течение вегетационного периода и перейти в ткани растения посредством корневого поглощения [10]. Известно, что увеличение влажности почвы приводит к расширению межпакетных пространств глинистых минералов группы монтмориллонитов и некоторых других со структурой 2 : 1, благодаря чему облегчается выход катионов щелочных металлов в растворенное состояние [13].

Более высокий уровень грунтовых вод реперного участка № 2 изменяет микробиологическую активность почвы в сторону более высокого накопления ионов аммония и органического вещества. Считается, что органические молекулы могут проникать в межпакетные пространства глинистых минералов, удерживая их в расширенном состоянии и сдвигая область FES вглубь решетки [14]. Результатом этого является увеличение емкости селективной и особо высоко селективной сорбции. Поведение ионов NH₄⁺ сходно с поведением ионов Cs⁺ в почвенной среде, они конкурируют за участки специфического связывания и место в межпакетных пространствах. Поэтому ионы NH₄⁺ из почвенного раствора могут служить фактором, ускоряющим выход ⁺Cs из межпакетных пространств. Эти два фактора являются наиболее вероятной причиной, объясняющей более высокую долю лабильной формы ¹³⁷Cs в дерново-глеевой почве на песчаном аллювии по сравнению с дерново-глееватой на супесчаном аллювии и более сильную ее зависимость от условий увлажнения.

Доля ⁹⁰Sr в подвижной форме в пойменной дерново-глеевой почве варьировала в интервале 20–33% от общего содержания радионуклида. Максимальная доля ⁹⁰Sr в подвижной форме была зафиксирована при влажности 85% от ПВ. В пойменной дерново-глееватой супесчаной почве при увеличении влажности от 40 до 100% относительно ПВ доля ⁹⁰Sr в подвижной форме увеличилась на 40%, что составило 21% от общего содержания радионуклида.

Полученные результаты показали, что режим увлажнения способен оказывать существенное влияние на содержание ¹³⁷Cs в водорастворимой и лабильной формах в аллювиальных почвах, что должно отражаться на его доступности для корневого потребления растениями. Данное явление можно объяснить способностью некоторых слоистых силикатов, в частности монтмориллонита, набухать в присутствии воды, расширяя межслойные пространства, что облегчает выход сорбированных в них катионов в почвенный раствор. Рост концентрации растворимой формы ¹³⁷Cs при увеличении влажности почвы обусловлен произошедшим в ходе эксперимента выходом ионов Cs⁺ в почвенный раствор в результате смещения динамического равновесия. Рост концентрации лабильной формы ¹³⁷Cs обусловлен увеличением скорости выхода ионов Cs⁺ из расширившихся межпакетных пространств по градиенту концентрации, создаваемому образованием тетрафенилбората цезия с очень низкой растворимостью (K_sp = 8.4 × 10^–10) в ходе экстракции. При потере почвой влаги происходит сужение межпакетных пространств, смещение динамического равновесия в сторону участков особо высокой селективности и уменьшение концентрации ионов Cs⁺ в почвенном растворе.

В почвенной среде активно происходят процессы сорбции и десорбции ⁹⁰Sr. Изменение влагонасыщенности пойменных почв влияет на соотношение водорастворимой, обменной и других форм катионов, включая ⁹⁰Sr²⁺. При выносе из горизонта или поглощении растениями и микроорганизмами водорастворимой и обменной фракции равновесие, характерное для почвы, вскоре восстанавливается – ранее связанные радионуклиды переходят в подвижные формы. При изменении внешних условий, например, увеличении минерализации почвенного раствора в засушливый период, подвижные формы, напротив, переходят в фиксированные.

Влияние влажности почвы на перераспределение ⁹⁰Sr по физико-химическим формам можно объяснить изменением ионной силы почвенного раствора, происходящим в результате разбавления или концентрирования, что вызывает смещение динамического равновесия между соединениями стронция с низкой растворимостью, ионами в почвенном поглощающем комплексе и в почвенном растворе. Сорбция ⁹⁰Sr в твердой фазе почв сильно зависит от эффективных концентраций других катионов в почвенном растворе. С увеличением эффективных концентраций сопутствующих катионов в растворе уменьшается количество радионуклида, сорбированного твердой фазой почвы. Установлены следующие ряды влияния конкурирующих катионов на сорбцию ⁹⁰Sr твердой фазой почв: Al³⁺ > Fe³⁺ > Ba²⁺ > Ca²⁺ > Mg²⁺ > K⁺ > NH⁴⁺ > Na⁺ [15].

Возможным объяснением резкого снижения доли растворимой формы ⁹⁰Sr при влажности почвы 100% от ПВ является процесс оглеения, протекающий при высокой влажности и в анаэробных условиях, в которых находились образцы почвы на протяжении достаточно продолжительного времени. Восстановление Fe и Mn с окислением органических веществ и образованием фульвокислот в этих условиях может способствовать снижению растворимости Sr. Предлагаемые объяснения наблюдаемых явлений нуждаются в экспериментальном подтверждении.

Изменение климата Белорусского Полесья синхронизировано с глобальным потеплением [16]. Период потепления (1989–2015 гг.) сопровождался увеличением количества осадков в восточной части Полесья (Гомельская область) по сравнению с западной (Брестская область) и по сравнению с климатической нормой (1961–1990 гг.) [17]. Динамичные ландшафты речных пойм ежегодно проходят периоды затопления, выраженность и продолжительность которых сказывается на поведении радиоактивных изотопов.

Результаты исследований показывают, что трансформация гидрологического режима пойменных земель из-за изменения климата и антропогенного вмешательства в процессы перераспределения воды в естественных ландшафтах способна оказать определенное влияние на биологическую доступность долгоживущих радиоактивных изотопов цезия и стронция. Однако направленность и величина этих процессов определяется не только характером перераспределения техногенных радионуклидов по физико-химическим формам, но и агрохимическими и агрофизическими свойствами почв, сукцессиями растительных ассоциаций при трансформации гидрологического режима, а также характером антропогенного вмешательства. Поэтому требуются дальнейшие исследования в направлении оценки и прогноза влияния региональных и глобальных изменений погодно-климатических условий и гидрологических факторов на переход дозообразующих радионуклидов в пищевые цепи.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Постоянная миграция, концентрирование и биопоглощение радионуклидов ¹³⁷Cs и ⁹⁰Sr, обусловленные вовлечением их в пойменное почвообразование, а также естественный распад и фиксация этих радионуклидов почвенным поглощающим комплексом изменяют радиоэкологическую обстановку в отдаленный постчернобыльский период. Одним из факторов, оказывающих существенное влияние на поведение долгоживущих радионуклидов чернобыльских выпадений в пойменных экосистемах, является гидрологический режим.

В камеральном эксперименте установлено, что изменение влажности аллювиальной почвы в пределах 40–100% от полной влагоемкости приводит к перераспределению ¹³⁷Cs и ⁹⁰Sr по физико-химическим формам нахождения. Насыщение почвы водой приводит к увеличению доли водорастворимой формы ¹³⁷Cs, но доля водорастворимой формы ⁹⁰Sr при этом падает. Содержание ионообменной формы ¹³⁷Cs не зависит от влажности почвы. Поведение ионообменной формы ⁹⁰Sr в ответ на изменение влажности почвы зависит от ее характеристик: в дерново-глеевой почве, развивающейся на песчаном аллювии, наблюдается существенное увеличение доли ⁹⁰Sr на фоне роста влажности почвы; в дерново-глееватой почве, развивающейся на супесчаном аллювии, подобное явление не наблюдается. Доля лабильной (извлекаемой тетрафенилборатом натрия) формы ¹³⁷Cs возрастает при насыщении аллювиальных почв водой. Аналогично ведет себя и подвижная форма ⁹⁰Sr, однако при содержании воды 100% от полной влагоемкости в дерново-глеевой на песчаном аллювии почве наблюдается резкое уменьшение доли подвижной формы этого радионуклида.

В целом прослеживается тренд к повышению доли биодоступных форм ¹³⁷Cs и ⁹⁰Sr в аллювиальных почвах при повышении их влагообеспеченности, однако характер и величина этого явления зависят от характеристик почвы.

БЛАГОДАРНОСТИ

Авторы выражают признательность Т.В. Ласько за квалифицированное описание почвенных разрезов реперных участков; Г.А. Леферд – за проведение анализов и определение агрохимических характеристик почвы, а также проведение селективного экстрагирования ¹³⁷Cs в обменной, водорастворимой и лабильной формах; Е.В. Мищенко – за выполнение гамма-спектрометрических измерений.

ФИНАНСИРОВАНИЕ

Исследования выполнены в рамках НИР 3.04.01 “Моделирование фитоценотических сукцессий и перераспределения радиоактивных изотопов в пойменных экосистемах при изменении гидрологического режима территории” государственной программы научных исследований “Природные ресурсы и окружающая среда” Республики Беларусь.

КОНФЛИКТ ИНТЕРЕСОВ

Авторы декларируют отсутствие явных и потенциальных конфликтов интересов, связанных с публикацией статьи.

ВКЛАД АВТОРОВ

Никитин А.Н. — научное руководство работой, подбор объектов исследования, определение методов исследования и программы работ, проведение математической и статистической обработки данных, анализ полученных результатов.

Тагай С.А. — постановка эксперимента с изменением форм нахождения ¹³⁷Cs в почвах.

Соколик Г.А. — постановка эксперимента с изменением форм нахождения ⁹⁰Sr в почве.

Попеня М.В., Кольцов И.А. — радиохимический анализ образцов почвы и экстрактов для определения содержания в них ⁹⁰Sr, обработка результатов эксперимента по изменению форм нахождения ⁹⁰Sr в почве.

作者简介

Aleksander Nikitin

Institute of Microbiology of the National Academy of Sciences of Belarus

编辑信件的主要联系方式.
Email: nikitinale@gmail.com
ORCID iD: 0000-0002-1369-0093
白俄罗斯, Minsk

Svetlana Tagai

Polesye State Radiation-Ecological Reserve

Email: lanabuz@tut.by
ORCID iD: 0000-0001-8387-1095
白俄罗斯, Choiniki

Galina Sokolik

Belarusian State University

Email: sokolikga@mail.ru
白俄罗斯, Minsk

Maryna Papenia

Belarusian State University

Email: marine_p19@mail.ru
ORCID iD: 0000-0001-7059-9934
白俄罗斯, Minsk

Ilya Koltsov

Belarusian State University

Email: koltsovilya.me@mail.ru
白俄罗斯, Minsk

参考

补充文件