Моделирование влияния известкования на миграцию радиостронция в системе минеральная почва - растение

ГЕОЭКОЛОГИЯ

УДК 631.438: 581.5

А. А. Баклай1, Л. Н. Москальчук2, Т. Г. Леонтьева1

1 Государственное научное учреждение «Объединенный институт энергетических и ядерных исследований - Сосны» Национальной академии наук Беларуси 2Белорусский государственный технологический университет

МОДЕЛИРОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ИЗВЕСТКОВАНИЯ НА МИГРАЦИЮ

РАДИОСТРОНЦИЯ В СИСТЕМЕ МИНЕРАЛЬНАЯ ПОЧВА - РАСТЕНИЕ

Разработана математическая модель миграции 90Sr в системе минеральная почва - растение. Получено выражение для расчета коэффициента накопления 90Sr в сельскохозяйственных растениях, являющееся комбинацией ключевых показателей почвы (доля обменной формы 90Sr, коэффициент селективности обмена пары 90Sr - Са, содержание обменного кальция) и растения (содержание кальция). Модель адаптирована и использована для прогноза влияния известкования на миграцию радиостронция из дерново-подзолистой супесчаной почвы в растение (проростки ячменя). Выполнена оценка влияния известкования на миграцию радиостронция из дерново-подзолистой супесчаной почвы в проростки ячменя и проведено сравнение с теоретическими результатами. Показано, что теоретические результаты по снижению миграции радиостронция из дерново-подзолистой супесчаной почвы в проростки ячменя в результате ее известкования хорошо согласуются с полученными экспериментальными данными. В условиях лабораторного эксперимента по изучению влияния известкования на миграцию радиостронция из почвы в растение установлено, что внесение CaCO3 в дерново-подзолистую супесчаную почву (рНКа = 4,2) в количестве 1,8 г/кг снизило его миграцию из данной почвы в проростки ячменя в два раза.

Ключевые слова: радиостронций, обменная форма, миграция, моделирование, дерново-подзолистая супесчаная почва, коэффициент накопления, коэффициент селективности, известкование.

A. A. Baklay1, L. N. Moskal'chuk2, T. G. Leont'yeva1

1State Scientific Institution "Joint Institute for Power and Nuclear Research - Sosny" of the National Academy of Sciences of Belarus 2Belarusian State Technological University

MODELING OF THE EFFECT OF LIMING ON THE MIGRATION OF RADIOSTRONTIUM IN THE MINERAL SOIL - PLANT SYSTEM

A mathematical model of 90Sr migration in the mineral soil - plant system is developed. An equation for calculating the accumulation coefficients of 90Sr in agricultural plants, which is a set of key soil (rate of the exchange form of 90Sr, the selectivity coefficient of pair of 90Sr - Ca, the content of the exchangeable calcium) and plant (calcium content) characteristics, was obtained. The model is adapted and used for predicting the effect of liming on radiostrontium migration from soddy-podzolic sandy loamy soil to plant (barley sprouts). The effect of liming on the radiostrontium migration from soddy-podzolic sandy loamy soil to barley seedlings was assessed and compared with theoretical data. The theoretical data on the reduction of the radiostrontium migration from limed soddy-podzolic sandy loamy soil to barley sprouts are shown to correspond well with the experimental data. А laboratory experiment studying the effect of liming on the radiostrontium migration from soil to plant established that insertion of 1.8 g/kg of CaCO3 to soddy-podzolic sandy loamy soil (рНка = 4.2) halved its migration from soil to barley seedlings.

Key words: radiostrontium, exchangeable form, migration, modeling, soddy-podzolic sandy loamy soil, accumulation coefficient, selectivity coefficient, liming.

Введение. Поступление радионуклидов в аграрные экосистемы является следствием деятельности человека: ядерных испытаний и ра-

диационных аварий, а также нормализованных выбросов предприятий ядерной энергетики. В связи с высокой токсичностью и способностью

легко включаться в процессы геохимическом и биологической миграции 90Ьг относится к числу наиболее опасных радионуклидов [1]. За период, прошедший после аварии на Чернобыльской АЭС, в результате трансформации форм выпавших радиоактивных продуктов подвижность и биологическая доступность 90Ьг в экосистемах, где не проводилась их реабилитация, увеличилась в 5-10 раз [2]. Анализ литературных данных свидетельствует о преобладании ионообменного механизма сорбции 90Ьг компонентами почв и относительно высоким его содержанием в почвенных растворах по сравне-

137 239 241

нию с радионуклидами С8, Ри и Лш [1, 2]. В результате 90Ьг наиболее интенсивно перераспределяется в экосистемах и мигрирует по пищевым цепям, попадая в организм человека и формируя дозу внутреннего облучения наряду с 13 С8.

Для описания миграции (перехода) 90Ьг в системе минеральная почва - растение используют коэффициент накопления (КН), равный

90

отношению равновесных концентраций Ьг в растении (р) и почве (п), Бк/кг:

[Sri КН = - p

[90Sr]n

КН Ьг зависит от ряда показателей, характеризующих свойства почвы, растения и макроэлемента - аналога кальция (Са). В работе [3] показано, что кратность различий КН 90Ьг для одного и того же вида растений, произрастающего на различных почвах, превышает 40 раз. В связи с этим использование усредненных значений КН 90Ьг приводит к значительным ошибкам в оценке доз и повышению риска для населения, проживающего на загрязненных радионуклидами территориях.

Одним из возможных путей решения проблемы может стать разработка модели, учитывающей влияние физико-химических процессов на миграцию 90Ьг в системе минеральная почва - почвенный раствор - растение, использование которой позволит проводить корректную оценку КН 90Ьг на основе показателей почвы и растения, а также оценку эффективности различных способов реабилитации почв, загрязненных 90Ьг. Несмотря на то, что существует ряд моделей [4-6], описывающих миграцию 90Ьг в системе почва - растение, приемлемое выражение, необходимое для расчета КН 90Ьг растениями, отсутствует. В связи с этим разработка математических моделей для количественного описания такого сложного физико-

90

химического процесса, как миграция Ьг в системе почва - почвенный раствор - растение, является актуальной задачей, так как позволяет

охарактеризовать данный процесс через ограниченное число показателей и характеристик почвы и растения.

Целью настоящей работы является разработка математической модели, описывающей

90

миграцию Ьг из почвы в растение при известковании кислой минеральной почвы и ее проверка с использованием экспериментальных данных.

Математическая модель. Преобразуем формулу (1), используя следующие выражения:

* ÜOSrk.

" г 90 с

[Sr]

пр

[90Sr]p

КН

пр-р

[90Sr]

пр

где К - коэффициент распределения 90Ьг между почвой и почвенным раствором, л/кг; КНпр-р - коэффициент накопления Ьг растением из почвенного раствора, л/кг; [90Ьг]пр -концентрация 90Ьг в почвенном растворе, Бк/л.

После соответствующих преобразований с использованием выражений (1)-(3) получаем

КН = — ' КНпр-р •

В соответствии с выражением (4) миграция 90Sr из почвы в растение определяется особенностями его поведения в системах почва - почвенный раствор и почвенный раствор - растение, которые характеризуются следующими показателями: Kd и КНпр-р. Величины, входящие в значение Kd (почва - почвенный раствор) и КНпр-р (почвенный раствор - растение), имеют одну и ту же природу, так как в каждой из

90

них содержатся только концентрации Sr в той или иной фазе системы почва - почвенный раствор - растение. Между этими показателями существует связь, на которую влияет концентрация основных катионов почвенного раствора, конкурирующих за сорбционные места с 90Sr в почве и корневом обменном комплексе (КОК). Согласно данным работы [7], основным

90

катионом почвенного раствора для Sr, конкурирующим за места сорбции в почве и КОК, является кальций (Са). Почва, почвенный раствор и растение выступают в системе как единое целое, а соответственно, и движение мате-

90

риальных потоков Sr и его химического аналога Са в них должно быть взаимосвязано. Таким образом, поскольку миграционная способность химических элементов 90Sr и Са зависит от прочности их связи с почвой и переход 90Sr и Са из почвы в почвенный раствор, а за-тем в растение можно рассматривать как последовательность

А. А. Баклай, Л. Н. Москальчук, Т. Г. Леонтьева

169

их обменно-сорбционных реакций, появляется возможность прогнозирования их концентраций в растениях. Для того чтобы прогнозировать концентрацию Ьг в растении по концентрации Са в нем, предположим следующее:

1. Са и 90Ьг в почвенном растворе находятся в динамическом равновесии с двумя ионооб-менниками - почвой и КОК, а содержание в почве доступного калия достаточно для нормального роста и развития растения.

2. Фиксированная форма 90Ьг в почве не участвует в реакциях обмена с Са почвенного раствора.

3. Поведение 90Ьг в растении подчиняется тем же закономерностям, что и поведение его химического аналога Са.

4. Распределение 90Ьг по компонентам растения осуществляется пропорционально содержанию Са в валовом приросте компонентов.

Обменный коэффициент распределения

/ ту обм\ 90 с "

(К< ) Ьг в системе почва - почвенный раствор зависит от сорбционных свойств почвы и концентрации Са в почвенном растворе и определяется выражением [1]:

ГГя1°

Кобм = Кс (90 Ьг/Га) •^пп [Га]

обм

пр

где Кс(90Ьг/Са) - коэффициент селективности обмена пары 90Ьг - Са; [Са]побм - концентрации обменного Са в почве, моль/кг; [Га]пр - концентрации Са в почвенном растворе, моль/л.

обм 90 90

К< Ьг связан с К< Ьг выражением [1]:

^ обм _ ТУ-

_ аобм Л<!>

где аобм - доля обменной формы 90Ьг в почве, характеризующая фиксирующую способность почвы.

Для количественной характеристики по-

90

ступления Ьг из почвенного раствора в растение в присутствии Са используют выражение

КНпр-р (90Ьг) = НО • КНпр-р (Га),

пр-р *

где НО - наблюдаемое отношение; КНпр-р(Са) -коэффициент накопления Са в растении из питательного раствора, л/кг.

Известно [8-9], что заметная дискриминация стабильного Ьг при его поступлении в растения из питательного раствора происходит только при концентрации Ьг более 0,1 ммоль/л. При меньших концентрациях, обычных для почвенных растворов, Ьг поступает в растение практически также, как и Са (НО = 1), причем НО для этой пары элементов не зависит от концентрации Са в растворе, по крайней мере до 5 ммоль/л. На основании данных работ [8-9], выражение (7) можно записать следующим образом:

[90Ьг]р [Га]р

[90Ьг]пр [Га]Пр'

где [Га]р - концентрация Са в растении, моль/кг.

Используя выражения (3)-(6) и (8), получаем

КН =

обм

[Га]с

Кс(90Ьг/Га) [Га]пбм

обм

Кс

• КН(Са),

где КН(Са) - коэффициент накопления обменного Са растением из почвы.

Выражение (9) позволяет оценить эффективность различных агрохимических мероприятий (известкование, внесение сорбентов),

90

направленных на снижение миграции Ьг из почвы в растение.

Основная часть. Объектом математического моделирования в данной работе является система, состоящая из почвы, почвенного раствора и растения, в которую вносится известковый материал. Известкование рассматривается в качестве основного способа реабилитации сельскохозяйственных почв, загрязненных 90Ьг [1]. Для изучения влияния известкования на миграцию 90Ьг из почвы в растение и проверки модели использовали набор данных, полученных в лабораторных опытах с дерново-подзолистой супесчаной почвой, характерной для наиболее загрязненных 90Ьг районов Гомельской области Беларуси и 14-дневными проростками ячменя. Почва перед внесением в нее известкового материала в виде известняка (СаСО3) характеризовалась следующими физико-химическими показателями: содержание физической глины -9,3 мас. %, содержание гумуса - 1,6 мас. %, рНКГ1 - 4,2 и содержание обменного Са -

23 мэкв/кг. Подготовку почвы, внесение в нее 85 о / « 90с \

Ьг (в качестве радиоактивной метки вместо Ьг),

а затем различных количеств СаСО3, посев зерен ячменя и их полив проводили по методике [10]. Значения рНКГ1 почвы изменяли в пределах 4,2-6,0 путем внесения в нее СаСО3 в количестве 0,2-1,8 г/кг. Активность 85Ьг в почве и растительном материале, содержание обменного Са в почве и Са в проростках ячменя определяли методами сцинтилляционной гамма-спектрометрии и атомно-абсорбционной спек-трофотометрии на приборах РУС-91М и Уапоп ЬреЛг ЛЛ250 соответственно.

Из выражения (9) следует, что поступление 90Ьг из почвы в растение обратно пропорционально зависит от содержания Са в почве

и прямо пропорционально от его содержа- в пределах рНКС1 почвы 4,2-6,0. Ранее выпол-ния в растении, а также от отношения ненными исследованиями определено, что

9р0

аобм / Кс( 0Ьг / Са).

Корреляционный анализ данных растительных (проростки ячменя) и сопряженных почвенных образцов выявил достоверную обратную корреляцию между КН 85Ьг в проростках ячменя и содержанием обменного кальция в дерново-подзолистой супесчаной почве (рис. 1).

10

8

6

4

2

у = 177,6х Я2 = 0,95

0,00 0,02 0,04

1 / [Са]побм, кг/мэкв

Рис. 1. Зависимость КН 85Ьг в проростках ячменя от обратного содержания в дерново-подзолистой почве обменного кальция

Из рис. 1 видно, что с увеличением 1 / [Са]побм наблюдается рост КН 85Ьг в проростках ячменя. Коэффициент корреляции (Я2) для прямой, проходящей через начало координат, составляет 0,95. Выражение линейной регрессии для проростков ячменя имеет следующий вид:

у = 177,6 х.

Коэффициент линейной регрессии из выражения (10) определяет угол наклона прямой (рис. 1), который зависит от биологических особенностей растения. Полученные результаты (рис. 1) показывают, что внесение СаСО3 в количестве 1,8 г/кг в дерново-подзолистую су-

85

песчаную почву снижает миграцию Ьг из дан-

ной почвы в проростки ячменя в два раза.

В работе [4] на основании обобщения экс-

периментальных результатов сделан вывод, что

90

накопление Ьг в сельскохозяйственных растениях обратно пропорционально зависит от содержания обменного Са в почве и прямо пропорционально от потребности растения в нем. Для практического применения выражения

среднее значение аобм / Кс( Ьг / Са) для дерново-подзолистых почв Беларуси в пределах рНка = 4,2-6,0 составляет 0,67 ± 0,15 [11].

Выражение (9) для прогноза миграции 90Ьг из почвы в растение при известковании дерново-подзолистой супесчаной почвы с учетом среднего отношения аобм / Кс(90Ьг / Са) может быть записано следующим образом:

КН = 0,67 •

[Са]р [Са]пбм

= 0,67КН

На рис. 2 приведены результаты сравнения экспериментальных и рассчитанных по выражению (11) значений КН 85Ьг для проростков ячменя. Хорошее согласие теоретических расчетов и экспериментальных данных (рис. 2) свидетельствует о том, что сделанные при выводе выражения (9) предположения достаточно обоснованы.

10

н и 8

<и

а

«

а <и 6

а

о

И

т 4

^

т

«ч

00 2

0

у = 0,98х Я2 = 0,87

—I

10

0 2 4 6 8

КН 85Ьг

Рис. 2. Сравнение экспериментальных и рассчитанных согласно выражению (11) значений КН 85Ьг для проростков ячменя

Заключение. В работе исходя из теоретических положений, закономерностей и анализа экспериментальных данных предложена геохи-

90

мическая модель миграции Ьг в системе минеральная почва - растение. Получено выра-

90

жение для оценки миграции Ьг в системе минеральная почва - растение, являющееся комбинацией ключевых показателей почвы (доля обменной формы 90Ьг, коэффициент селективности обмена пары 90Ьг - Са, содержание обменного кальция) и растения (содержание кальция). Достоинством модели является малое число показателей, которые могут быть определены с помощью стандартных физико-химическими методов.

Модель адаптирована и применена для прогноза влияния известкования на миграцию

0

А. А. Баклай, Л. H. Москальчук, Т. Г. Леонтьева

171

радиостронция из дерново-подзолистой супесчаной почвы в проростки ячменя.

На основании выполненной оценки влияния известкования на миграцию 85Ьг из почвы в проростки ячменя установлено, что внесение СаСО3 в количестве 1,8 г/кг в дерново-подзолистую супесчаную почву

85

снижает миграцию Ьг из данной почвы в проростки ячменя в два раза.

Показано, что теоретические результаты по снижению миграции радистронция из дерново-подзолистой супесчаной почвы в проростки ячменя в результате ее известкования хорошо согласуются с полученными экспериментальными данными.

Литература

1. Роль химии в реабилитации сельскохозяйственных угодий, подвергшихся радиоактивному загрязнению / Н. И. Санжарова [и др.] // Рос. хим. журн. 2005. Т. XLIX. № 3. C. 26-34.

2. Миграция 137Cs, 90Sr, 239,240Pu и 241Am в системе «почва - почвенный раствор - растение». Звено «почва - почвенный раствор» / Г. А. Соколик [и др.] // Доклады НАН Беларуси. 1999. Т. 43. № 2. C. 103-109.

3. Бондарь П. Ф. Влияние почвенно-климатических условий на накопление 89Sr растениями и прогнозирование уровней загрязнения урожая // Агрохимия. 1983. № 7. C. 69-79.

4. Дричко В. Ф., Цветкова В. В. Сорбционная модель поступления радионуклидов из почвы в растения // Почвоведение. 1990. № 10. С. 35-40.

5. Sycoeva A. A., Sanzharova N. I., Konopleva I. V. Bioavailability of radiostrontium in soil: Experimental study and modeling // Journal of Environmental Radioactivity. 2005. Vol. 81. P. 269-282.

6. Maskal'chuk L. N., Baklay A. A., Leontieva T. G. Modeling of Radiostrontium in «Mineral Soil -Plants» System in the Performance of Liming // Journal of Chemical Engineering and Chemistry Research. 2015. Vol. 2. No. 3. P. 521-528.

7. Sentenac H., Grignon C. A model for predicting ionic equilibrium concentrations in the cell walls // Plant Physiology. 1981. Vol. 68. P. 415-419.

8. Поляков Ю. А. Радиоэкология и дезактивация почв. М.: Атомиздат, 1970. 304 с.

9. Ion competition effect on selective absorption of radionuclides by komatsuna (Brassica rapa var. perviridis) / S. Ambe [et al.] // Environ. Experim. Botany. 1999. Vol. 41. P. 185-194.

10. Влияние калия и кислотности на состояние 137Cs в почвах и его накопление проростками ячменя в вегетационном опыте / В. С. Анисимов [и др.] // Почвоведение. 2002. № 11. С. 1323-1332.

11. Москальчук Л. Н., Баклай А. А., Леонтьева Т. Г. Прогнозирование перехода 90Sr из почвы в растение на основе физико-химических характеристик почв // Экологический вестник. 2014. № 3(29). C. 38-43.

References

1. Sanzharova N. I., Sysoeva A. A., Isamov N. N., Aleksakhin R. M., Kuznetsov V. K., Zhigareva T. L. The role of chemistry in the rehabilitation of agricultural lands exposed to radioactive contamination. Ros. khim. zhurn. [Russian Chemistry Journal], 2005, vol. XLIX, no. 3, pp. 26-34 (In Russian).

2. Sokolik G. A. Ovsyannikova S. V., Kilchytskaya S. L. Migration of 137Cs, 90Sr, 239,240Pu and 241Am in the system "soil - soil solution - plant". The "soil - soil solution" link. Doklady NAN Belarusi [Proceedings of NAS of Belarus], 1999, vol. 43, no. 2, pp. 103-109 (In Russian).

3. Bondar' P. F. Influence of soil-climatic conditions on the accumulation of 89Sr by plants and forecasting levels of crop contamination. Agrokhimiya [Agrochemistry], 1983, no. 7, pp. 69-79 (In Russian).

4. Drichko V. F., Tsvetkova V. V. Sorption model of radionuclides intake from soil to plants. Pochvovedeniye [Agrology], 1990, no. 10, pp. 35-40 (In Russian).

5. Sycoeva A. A., Sanzharova N. I., Konopleva I. V. Bioavailability of radiostrontium in soil: Experimental study and modeling. Journal of Environmental Radioactivity. 2005, vol. 81, pp. 269-282.

6. Maskalchuk L. N., Baklay A. A., Leontieva T. G. Modeling of Radiostrontium in «Mineral Soil -Plants» System in the Perfomance of Liming. Journal of Chemical Engineering and Chemistry Research. 2015, vol. 2, no. 35, pp. 521-528.

7. Sentenac H., Grignon C. A model for predicting ionic equilibrium concentrations in the cell walls. Plant Physiology. 1981, vol. 68, pp. 415-419.

8. Polyakov Y. А. Radioekologiya i dezaktivatsiyapochv [Radioecology and decontamination of soils]. Moscow, Atomizdat Publ., 1970. 304 p.

9. Ambe S., Shinonaga T., Ozaki T., Enomoto S., Yasuda H., Uchida S. Ion competition effect on selective absorption of radionuclides by komatsuna (Brassica rapa var. perviridis). Environ. Experim. Botany. 1999, vol. 41, pp. 185-194.

172

Малые реки: экологическое состояние р. Уша в черте города Молодечно

10. Anisimov V. S., Kruglov S. V., Aleksakhin R. M., Suslina L. G., Kuznetsov V. K. Effect of potassium and acidity on the form of 137Cs in soils and its accumulation by barley sprouts in the vegetation experience. Pochvovedeniye [Agrology], 2002, no. 11, pp. 1323-1332 (In Russian).

11. Moskal'chuk L. N., Baklay A. A., Leont'eva T. G. Forecasting the transition of 90Sr from soil to plant based on physical and chemical characteristics of soils. Ekologicheskiy vestnik [Ecological bulletin], 2014, no. 3(29), pp. 38-43 (In Russian).

Информация об авторах

Баклай Анатолий Анатольевич - старший научный сотрудник лаборатории «Реабилитация загрязненных территорий». ГНУ «Объединенный институт энергетических и ядерных исследований - Сосны» Национальной академии наук Беларуси (220109, г. Минск, а/я 119, Республика Беларусь). E-mail: a.baklay@tut.by

Москальчук Леонид Николаевич - доктор технических наук, профессор кафедры лесоводства. Белорусский государственный технологический университет (220006, г. Минск, ул. Свердлова, 13а, Республика Беларусь). E-mail: leonmosk@tut.by

Леонтьева Татьяна Геннадьевна - старший научный сотрудник лаборатории «Реабилитация загрязненных территорий». ГНУ «Объединенный институт энергетических и ядерных исследований - Сосны» Национальной академии наук Беларуси (220109, г. Минск, а/я 119, Республика Беларусь). E-mail: t.leontieva@tut.by

Information about the authors

Baklay Anatoliy Anatol'yevich - Senior Researcher Remediation Polluted Territories of the Laboratory. SSI "Joint Institute for Power and Nuclear Research - Sosny" of the National Academy of Sciences of Belarus (P. O. Box 119, 220109, Minsk, Republic of Belarus). E-mail: a.baklay@tut.by

Moskal'chuk Leonid Nikolaevich - DSc (Engineering), Professor, the Department of Silviculture. Belarusian State Technological University (13a, Sverdlova str., 220006, Minsk, Republic of Belarus). Email: leonmosk@tut.by

Leont'yeva Tat'yana Gennad'yevna - Senior Researcher Remediation Techno Polluted Territories of the Laboratory. SSI "Joint Institute for Power and Nuclear Research - Sosny" of the National Academy of Sciences of Belarus (P. O. Box 119, 220109, Minsk, Republic of Belarus). E-mail: t.leontieva@tut.by

Поступила 15.06.2017

\