Введение к работе
Актуальность темы. Присутствие антропогенных радионуклидов в рассеянном виде в природных объектах является следствием использования ядерной энергии в военных и мирных целях. Результатом ядерных испьпаний и радиационных аварий в районе Южного Урала и на Чернобыльской АЭС стали глобальные радиоактивные выпадения и загрязнение обширных территорий долгоживугдими радионуклидами Sr и Cs, представляющие серьезную проблему до настоящего времени. Ореолы рассеяния радиоактивных веществ формируются и в районах расположения предприятий атомной промышленности и ядерной энергетики вследствие нормализованных выбросов и сбросов.
Оказавшись в природной среде, долгоживугдие радионуклиды становятся компонентами почв, включаются в процессы биогенной миграции с участием растений и животных, с продуктами питания растительного и животного происхождения поступают в организм человека. В радиоэкологических исследованиях, ведущихся с конца 50-х годов прошлого века, выявлены наиболее значимые процессы и факторы, регулирующие поведение искусственных радионуклидов в аграрных системах, установлены общие закономерности поведения и определены количественные параметры перехода в системе почва-растение, начальном и исключительно важном звене сельскохозяйственных цепочек миграции (В.М. Клечков-ский, И.В. Гулякин, Е.В. Юдинцева, P.M. Алексахин идр.).
Исследования в области агрохимии долгоживущих радионуклидов Sr и Cs практически с самого начала носили двойственную направленность. С одной стороны, изучение влияния способов обработки почвы, минеральных и органических удобрений, почвенных мелиорантов, технологий возделывания сельскохозяйственных культур на изменение доступности радионуклидов растениям и накопление их в урожае представляло самостоятельный научный интерес (Е.В. Юдинцева, И.Т. Моисеев, ФА Тихомиров идр.). С другой стороны, эти исследования служили теоретическим и практическим базисом для поиска эффективных методов и приемов, как традиционно используемых в технологиях возделывания культур, так и специальных, которые, обеспечивая благоприятные условия для развития растений и гарантируя урожай, в тоже время позволяли бы минимизировать содержание радионуклидов в продукции растениеводства. Учитывая высокий социальный статус проблемы, второе направление приобретало особую актуальность и практическую значимость на территориях, подвергшихся радиоактивному загрязнению в результате радиационных аварий (Н.П. Архипов, ЮА Иванов, С.К. Фир-сакова, Н.И. Санжарова, АН. Ратников идр.).
Агрохимические приемы и методы в настоящее время представляют важную часть комплекса защитных мероприятий в сельском хозяйстве на радиоактивно загрязненных территориях (Руководство ..., МАГАТЭ, 1994). Однако потенциальная эффективность этих мероприятий на разных почвах и в различных условиях не может бьпь достигнута без хорошего знания и понимания механизмов процессов, лежащих в их основе.
Цель исследования: С использованием разных методологических подходов изучить взаимодействие 137Cs с одновалентными ионами Н+, К+ и NH4+ в 3-х поч-
NC НАЦИОНАЛЬНА* \ бИбЛИОТИКА 1
вах разного генезиса и идентифицировать механизмы влияния кислотности, калийных удобрений и аммонийного азота на сорбцию радионуклида почвенными минералами и корневое поглощение растениями ячменя.
Задачи исследования: В условиях многофакторных лабораторных экспериментов изучить раздельные и совместные эффекты возрастающих концентраций Н+,К+иї"Ш4+на:
- сорбцию и фиксацию 137Cs разными почвами:
а) непосредственно после поступления радиоцезия в почвы и
б) через 1 год после внесения радионуклида;
корневое поглощение 137Cs растениями ячменя из почв разного генезиса, существенно различающихся составом, свойствами и способностью селективно сорбировать цезий (сразу после внесения и через 1 год после поступления радионуклида в почву);
распределение основных катионов почвенных систем (К+, Na+, Са2+ и Mg2+) между твердой фазой и равновесным почвенным раствором, концентрацию макроэлементов в растениях;
показатели развития ячменя.
Для проверки выявленных закономерностей, изучить влияние калия и аммония при раздельном и совместном внесении их в почву на сорбцию I37Cs почвенными минералами и накопление на разных стадиях развития растений ячменя и в урожае в условиях вегетационного опыта.
Используя полученные экспериментальные зависимости и обобщенные литературные данные, рассмотреть конкурентное взаимодействие между 137Cs и близкими по своим физико-химическим характеристикам ионами К+, NH4+ в почвенных системах, идентифицировать механизмы влияния возрастающих концентраций ионов Н+, К+ и NH4+ на переход 137Cs из почвы в растения.
Научная новизна работы: В результате комплексного подхода к изучению поведения 137Cs в системе почва-растение и использования многофакторных экспериментов
впервые показана возможность дополнительной фиксации 137Cs твердой фазой почв в результате индуцируемого возрастающими концентрациями ионов К+ и NH4+ коллапса межпакетного пространства минералов слоистой структуры при добавлении калия и аммония в малообеспеченные обменным калием почвы, и напротив, возможность ремобилизации радионуклида при внесении повышенных концентраций NH4+ в почвы, хорошо обеспеченные калием.
экспериментально подтверждено, что механизм ингибирующего влияния возрастающих концентраций К+ в почве на корневое поглощение 137Cs включает увеличение селективности сорбции радионуклида почвенными минералами, разбавление концентрации радионуклида в почвенном растворе и изменение избирательности прямого поглощения 137Cs и его химического аналога К растениями из почвенного раствора вследствие смены доминирующей системы транспорта ионов К+ через биологические мембраны.
ионы NH4+ способны (в зависимости от дозы и конкретных почвенных условий) вызывать как дополнительную фиксацию I37Cs почвенными минералами, так и его ремобилизацию, вытесняя обменно-сорбированный цезий в почвенный рас-
твор и блокируя селективные центры обменной сорбции, но практически не оказывают влияния на избирательность поглощения 13,Cs и элемента минерального питания К корнями растений из почвенного раствора.
- установлено, что эффект калия и аммония не пропорционален дозе соответ
ствующего минерального удобрения. Основными факторами, определяющими
эффективность калийных удобрений по снижению накопления 13,Cs в урожае
сельскохозяйственных культур и ингибирующий эффект аммонийного азота, яв
ляются свойства почв (прежде всего, емкость FES и ЕКО) и их суммарная обеспе
ченность обменными калием и аммонием.
- определены пороговые концентрации К+ и NH4+ в дерново-подзолистой
почве, при превышении которых использование калийных удобрений в целях
снижения накопления 13,Cs культурами неэффективно, а применение аммонийного
азота будет вызывать увеличение перехода радионуклида из почвы в растения.
- показано, что, ионы Н+, обладающие слабой вытесняющей способностью, не
способны конкурировать с Cs+ за селективные центры сорбции в краевой расши
ренной зоне и в межпакетном пространстве кристаллической решетки слоистых
минералов и не оказывают значимого влияния на формы 13,Cs в почве. Поэтому
механизм влияния кислотности почвы на корневое поглощение 13,Cs, вероятно,
включает косвенные эффекты повышенных концентраций Н+ (в частности, изме
нение интенсивности прямого поглощения 13,Cs корнями вследствие изменения
скорости метаболических процессов в растениях, обусловленного неблагоприят
ными условиями их произрастания).
Теоретическая и практическая значимость работы. Полученные экспериментальные данные, результаты теоретического обобщения и заключения, содержащиеся в диссертационной работе, расширяют и уточняют существующие представления о поведении 13,Cs в агроэкосистемах и способствуют лучшему пониманию механизмов процессов, лежащих в основе некоторых агрохимических приемов, направленных на минимизацию накопления радиоцезия в урожае сельскохозяйственных культур, производимых на радиоактивно загрязненной территории. Установление механизмов влияния и пороговых концентраций ионов имеет важное практическое значение с точки зрения радиологической и экономической эффективности использования калийных и азотных удобрений в целях снижения радиоактивного загрязнения сельскохозяйственной продукции, и сбалансированного применения разных форм минерального азота в составе комплексного удобрения.
Основные положения, выносимые на защиту:
- идентифицированные механизмы влияния одновалентных ионов Н+, К+ и
NH4+ на сорбцию 13,Cs почвами разного генезиса и корневое поглощение расте
ниями;
- нелинейный характер зависимостей между количественными показателями, характеризующими изменение почвенных условий, состояние радионуклида в почве и его переход из почвы в растения при добавлении калия и аммонийного азота;
- пороговые концентрации калия и аммония в дерново-подзолистой песчаной
почве, после превышения которых использование калийных удобрений неэф-
фективно, а применение аммонийной формы азота вызывает увеличение нако-
пления Cs. Апробация работы и публикации: Основные положения работы и результаты исследований докладывались на научно-практической конференции «Роль творческого наследия академика ВАСХНИЛ В.М. Клечковского в решении современных проблем сельскохозяйственной радиологии», Москва 2000г; научно-практической конференции «Наследие Чернобыля: Медико-психологические, радиоэкологические и социально-экономические аспекты ликвидации последствий аварии на ЧАЭС в Калужской области», Калуга-Обнинск, 2001; научная конференция «Геологические проблемы загрязнения окружающей среды тяжелыми металлами», Тула, 2003 г; 6-ая международная научная конференция «Экология человека и природа», Плес, 2004г. По материалам диссертации опубликовано и находится в печати 8 работ.
Структура и объем диссертационной работы. Диссертация изложена на 120 страницах, включает введение, заключение, выводы, 5 глав, 18 таблиц, 13 рисунков и список публикаций из 196 наименований.
