Содержание к диссертации
ВВЕДЕНИЕ 4
1. СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ 10
-
Анализ факторов, определяющих поведение 137Cs в почвах 10
-
Вертикальная миграция 13 Cs в почвах луговых экосистем 22
-
Биологическая подвижность Сз в системе «почва - травостой луговых экосистем» 24
-
Особенности поведения 137Cs в почвах болотных лугов 30
-
Моделирование процессов миграции Cs луговых экосистемах 33
-
Применение агротехнических и агрохимических защитных мероприятий
для снижения накопления Cs в травостое болотных лугов... 35
2. ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ 43
2.1, Характеристика экспериментальных участков 43
-
Материалы и методы исследования 45
-
Изучение влияния агромелиорантов на биологическую доступность
137Cs 52
2.4, Схема полевых опытов по изучению влияния защитных мероприятий на
переход ,37Cs в травостой болотного луга 53
3. ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКОЕ СОСТОЯНИЕ 137Cs В ТОРФЯНЫХ ПОЧВАХ
БОЛОТНЫХ ЛУГОВ РАЗЛИЧНЫХ ТИПОВ В ОТДАЛЕННЫЙ ПЕРИОД
ПОСЛЕ АВАРИИ НА ЧАЭС 56
-
Состояние и формы нахождения 137Cs в торфяных почвах 56
-
Оценка показателей подвижности 137Cs в торфяных почвах 60
-
Распределение 13 Cs по группам и фракциям органического вещества торфяной почвы 63
4. ВЕРТИКАЛЬНАЯ МИГРАЦИЯ I37Cs В БОЛОТНЫХ ЛУГАХ РАЗЛИЧНЫХ
ТИПОВ 66
-
Вертикальное распределение 137Cs в профиле почв болотных лугов 66
-
Изучение влияния ионов NH4+ и К+ в почвенном растворе на вертикальную миграцию 137Cs 71
4.3. Моделирование вертикальной миграции Cs в почвах 73
5. НАКОПЛЕНИЕ 137Cs В ТРАВОСТОЕ БОЛОТНЫХ ЛУГОВ РАЗЛИЧНЫХ
ТИПОВ В ОТДАЛЕННЫЙ ПЕРИОД ПОСЛЕ АВАРИИ НА ЧАЭС 19
5.1. Динамика перехода I37Cs в травостой болотных лугов после аварии на
ЧАЭС 79
-
Зависимость коэффициентов перехода Cs в травостой от типа болотного луга и почвенных характеристик 81
-
Межвидовые различия в накоплении 137Cs растениями 83
6. ИССЛЕДОВАНИЕ МЕХАНИЗМОВ ДЕЙСТВИЯ КАЛИЙНЫХ
УДОБРЕНИЙ И ИЗВЕСТИ НА ИЗМЕНЕНИЕ БИОЛОГИЧЕСКОЙ
ДОСТУПНОСТИ mCs В ТОРФЯНОЙ ПОЧВЕ 85
6.1. Влияние агромелиорантов на изменение почвенных характеристик и
накопление 13 Cs в растениях 85
-
Влияние агромелиорантов на подвижность Cs в торфяной почве 87
-
Оценка зависимости КН Cs проростками ячменя от параметра биологической доступности в почве при внесении агромелиорантов 88
7. ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ АГРОТЕХНИЧЕСКИХ И АГРОХИМИЧЕСКИХ
МЕРОПРИЯТИЙ НА ИЗМЕНЕНИЕ ПОДВИЖНОСТИ 137Cs В
ТОРФЯНОЙ ПОЧВЕ И ЕГО НАКОПЛЕНИЕ В ТРАВОСТОЕ БОЛОТНЫХ
ЛУГОВ 93
-
Оценка действия и последствия применения агротехнических и агрохимических приемов на снижение накопления 137Cs в травостое болотного луга 93
-
Влияние агромелиорантов на изменение агрохимических характеристик торфяной почвы 96
-
Изменение подвижности Cs в торфяной почве в результате применения защитных мероприятий 98
-
Прогнозирование эффективности применения калийных удобрений и известкования для снижения перехода Cs в травостой болотного низинного луга 100
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 103
ВЫВОДЫ 113
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 117
Введение к работе
Авария на Чернобыльской атомной электростанции 26 апреля 1986 г. привела к масштабному загрязнению обширных территорий Беларуси, Украины, России и ряда европейских стран. Одним из наиболее тяжелых экологических последствий аварии явилось радиоактивное загрязнение сельскохозяйственных угодий, а также природных экосистем. Загрязнение сельскохозяйственных угодий и вызванное этим производство и потребление продукции с повышенным содержанием радионуклидов является одним из основных источников внутреннего облучения населения.
В составе поступивших в результате аварии в окружающую среду радиоактивных веществ присутствовали биологически значимые долгоживущие радионуклиды 137Cs и 90Sr, что обуславливает длительную (десятки лет) опасность загрязнения аграрных и природных экосистем. Выделено три поставарийных периода, которые определяют радиационную ситуацию в сельском хозяйстве. Период "йодной опасности", который обусловлен наличием в выбросе изотопов иода, что приводит к загрязнению пастбищной растительности и далее молока. Этот период продолжается несколько месяцев. Второй период после аварии характеризуется как "период аэрального загрязнения" и его продолжительность ограничивается первым вегетационным периодом после радиоактивных выпадений. Основным путем поступления радионуклидов в продукцию растениеводства является непосредственное (аэральное) загрязнение надземной массы растений и почвы. Третий период в развитии радиологической ситуации начинается со второго вегетационного периода после радиоактивных выпадений. Основным путем поступления радионуклидов в цепи миграции становится корневое усвоение радионуклидов из почвы растениями. Продолжительность этого периода может охватывать десятки лет.
В рамках третьего периода после аварии выделяют отдаленный период (или восстановительный), который характеризуется переходом к доаварийным санитарно-гигиеническим нормативам. С точки зрения миграции радионуклидов в природных и аграрных экосистемах отдаленный период имеет следующие особенности: радионуклиды в почвах находятся в состоянии относительного равновесия; процессы трансформации форм радионуклидов протекают чрезвычайно медленно; снижение концентрации радионуклидов в компонентах экосистем определяется в основном радиоактивным распадом; уменьшается эффективность различных контрмер, выполняемых в сельском хозяйстве для снижения накопления радионуклидов в продукции.
В отдаленный период после аварии сохраняется вероятность производства сельскохозяйственной продукции, не соответствующей радиологическим стандартам. Это обусловлено как высокими уровнями загрязнения земель, так и почвенно-геохимическими особенностями территории, в первую очередь наличием в почвенном покрове дерново-подзолистых почв легкого механического состава и торфяных почв, для которых характерны высокие темпы миграции радионуклидов.
К критическим дозо образующим пищевым продуктам в рационе питания населения в отдаленный период после аварии относятся в первую очередь молоко. Так, в загрязненных районах Брянской области в 2000 г. было произведено в общественном секторе с превышением СанПиН 2.3.2.560-96 36% молока и 11% мяса. Использование для производства кормов сенокосов и пастбищ на торфяных почвах является одной из главных причин производства продукции животноводства не соответствующей санитарно-гигиеническим нормативам.
Более интенсивная миграция радионуклидов в луговых экосистемах была выявлена в исследованиях, проводившихся в 70-80-е годы под руководством академика РАСХН Н.А. Корнеева. Впервые были установлены различия в накоплении 90Sr травостоем лугов различных типов, а также выявлена роль базальной части растений в поглощении радионуклидов травостоем. На территории Восточно-Уральского радиоактивного следа впервые были проведены исследования по изучению динамики поведения 7Cs на лугах различных типов (И,Т. Моисеев, Ф.А. Тихомиров, P.M. Алексахин).
После аварии на Чернобыльской АЭС изучение миграции радионуклидов в луговых экосистемах стало одной из наиболее актуальных проблем. В зоне аварии значительная часть пастбищных и сенокосных угодий расположена на торфяных почвах, что приводит к повышенному накоплению ,3 Cs в травостое и, далее, в продукции животноводства. Выполнен цикл работ по изучению закономерностей поведения 137Cs в луговых экосистемах и оценено влияние на миграцию радионуклида свойств выпадений, процессов сорбции и фиксации радионуклида в почвах, типа луга, гидрологического режима и т.п. (Н.И. Санжарова, Г.И. Попова, СВ. Фесенко, В.А. Котик, С.К. Фирсакова, Н. В. Гребенщикова, С.Ф. Тимофеев, А.Г. Подоляк, Г.П. Перепелятников, Б.С. Пристер, М,И, Ильин). Проведенные исследования показали - болотные луговые экосистемы являются зоной повышенной миграции радионуклидов, что приводит к необходимости выделения торфяных почв как "критических" с точки зрения риска производства продукции, не соответствующей санитарно-гигиеническим нормативам.
Несмотря на многочисленные исследования в области миграции радионуклидов в луговых экосистемах, ряд аспектов этой проблемы, особенно в вопросах специфики поведения радионуклидов на болотных лугах, до последнего времени остается недостаточно изученным. К числу таких вопросов относится оценка состояния радионуклидов и выявление механизмов их поведения в почвах болотных лугов различных типов в отдаленный период после аварии. Интерес представляет также продолжение наблюдений за динамикой поведения ' Cs в болотных лугов различных типов, что позволит уточнить некоторые механизмы сорбции и фиксации радионуклида в почвах; получить количественные параметры миграции; проверить корректность прогнозов, сделанных в первый период после аварии. Практически не изучена роль органического вещества торфяных почв в миграции радионуклидов. Мало изучены видовые различия в накоплении 137Cs травостоем болотных лугов различных типов.
Информация о закономерностях миграции радионуклидов в луговых экосистемах имеет определяющее значение как для оценки и прогнозирования радиологической обстановки, так и для научного обоснования защитных мероприятий, которые целесообразно применять в отдаленный период после аварии. Многочисленные исследования, проведенные на загрязненных территориях России, Беларуси и Украины, показали, что применение защитных мероприятий на лугах обладает высокой эффективностью (Н.И. Санжарова, СВ. Фесенко, С.К. Фирсакова, Г.П. Перепелятников, Б.С. Пристер).
В отдаленный период после аварии наиболее остро стоит проблема оптимизации применения защитных мероприятий, в том числе и для луговых экосистем. С этой целью рассматривается комплекс критериев, включая радиологические, дозовые, экономические и комбинированные. Одним из путей оптимизации применения защитных мероприятий является применение научно обоснованных доз агромелиорантов. Для решения этой задачи необходимо исследование механизмов действия агромелиорантов на поведение радионуклидов. В последние годы предложен ряд новых показателей для описания процессов фиксации радионуклида в почвах, дальнейшее развитие получила теория селективной сорбции, предложены методы прогнозирования поведения радионуклидов в почвах и системе почва-растение. Однако, эти новые методические подходы до настоящего времени практически не применялись для изучения модифицирующего действия агромелиорантов на поведение радионуклидов. Разработка теоретических основ рационального применения химических мелиорантов для уменьшения накопления радионуклидов (в первую очередь 137Cs) в сельскохозяйственных культурах на основании определения и количественного описания протекающих в почве процессов является одним из актуальных и перспективных направлений исследований современной сельскохозяйственной радиоэкологии.
7 Цель и задачи исследования.
Целью работы является изучение закономерностей и оценка параметров миграции 137Cs в болотных лугах различных типов и выявление механизмов действия агромелиорантов на снижение биологической подвижности радионуклида.
Для достижения указанной цели были поставлены следующие задачи:
1. Изучить закономерности и динамику поведения Cs в болотных лугах различных типов в отдаленный период после аварии на Чернобыльской АЭС.
2. Изучить состояние 137Cs в почвах болотных лугов различных типов и определить количественные параметры сорбции и фиксации радионуклида.
3. Оценить параметры вертикальной миграции на основе двухкомпонентной конвективно-диффузионной модели.
Оценить эффективность защитных мероприятий на снижение перехода ,37Cs в травостой из торфяных почв в отдаленный период после аварии.
Изучить механизмы действия агро мелиорантов на поведение Cs в торфяных почвах и системе почва-травостой болотного луга.
Научная новизна работы.
В результате проведенных исследований изучены закономерности и динамика поведения 137Cs в болотных лугах различных типов в отдаленный период после аварии на Чернобыльской АЭС. Оценены параметры подвижности I37Cs для торфяных почв болотных лугов различных типов. Впервые определены параметры селективной сорбции 137Cs для различных подтипов торфяных почв. Изучены и описаны механизмы влияния свойств почв на процессы сорбции и фиксации 7Cs. Впервые установлено изменение параметров подвижности Cs при хозяйственной обработке торфяников (осушение, вспашка), а также в случае пожара.
На базе использования двухкомпонентной конвективно-квазидиффузиошюй модели миграции проведена сравнительная оценка параметров вертикальной миграции 137Cs и периодов полуочищения корнеобитаемого слоя почв для торфяников различных типов. Показана зависимость параметров миграции, экологического и эффективного периодов полуочищения от типа болотного луга. Установлена зависимость между вертикальным распределением Cs в профиле торфяных почв и содержанием ионов аммония. Впервые установлена роль ионов аммония в вертикальной миграции Cs.
Дана сравнительная оценка параметров вертикальной миграции Cs на ненарушенных торфяниках различных типов и торфяниках, подвергшихся воздействию хозяйственной деятельности (осушению, вспашке), Впервые изучены параметры вертикальной ми фации ' Cs в торфянике после пожара.
Дана оценка эффективности защитных мероприятий по снижению накопления 137Cs в травостое болотного низинного луга в отдаленный период после аварии на ЧАЭС. Изучены механизмы действия агромелиорантов на биологическую подвижность 137Cs. Для прогнозирования эффективности применения агромелиорантов на снижение накопления 137Cs в травостое предложено использовать параметр биологической доступности, который является комплексным показателем почвенных характеристик и показателей подвижности.
Теоретическое и практическое значение работы.
Теоретическую значимость представляют выявленные закономерности и механизмы поведения Cs в болотных лугах различных типов. Впервые определены параметры селективной сорбции 137Cs торфяными почвами.
Предложено теоретическое обоснование для описания механизмов действия агромелиорантов па биологическую доступность 137Cs на основании определения протекающих в почве процессов сорбции и фиксации радионуклида.
Практическую ценность имеют полученные количественные параметры миграции 137Cs в почвах болотных лугов, которые могут быть использованы при прогнозировании радиологической обстановки на кормовых угодьях.
Дана оценка эффективности защитных мероприятий на болотных лугах в отдаленный период после аварии на ЧАЭС. Для прогноза эффективности агрохимических приемов по снижению перехода Cs в травостой болотных лугов предложено использовать параметр биологической доступности.
Основные положения, выносимые на защиту:
Состояние, формы нахождения и параметры селективной сорбции Cs в торфяных почвах болотных лугов различных типов в отдаленный период после аварии на ЧАЭС.
Количественные параметры вертикальной миграции 137Cs для естественных болотных лугов различных типов и болотных лугов, нарушенных в результате хозяйственной деятельности (осушение, вспашка) и пожара.
Оценка роли аммония в вертикальной миграции Cs в торфяных почвах на болотных лугах различных типов.
Закономерности накопления 137Cs в растительности болотных лугов различных типов.
Оценка эффективности применения агротехнических и агрохимических мероприятий на низинном болотном лугу в отдаленный период после аварии на ЧАЭС.
Описание механизмов действия агромелиорантов на изменение биологической доступности 137Cs в торфяных почвах.
Прогнозирование снижения накопления Cs в травостое болотных лугов после применения агромелиорантов на основе параметра биологической доступности.
Публикации и апробация работы.
Основные положения работы и результаты исследований докладывались и обсуждались на: международной конференции "Устойчивость почв к естественным и антропогенным воздействиям", Москва, 2002; XXXIII съезде Европейского общества по применению ядерных методов в сельском хозяйстве (ESNA) (Витербо, Италия), 2003; 10-ой международной конференции молодых ученых «Ломоносов», Москва, 2003, 7-ой школе-конференции молодых ученых «Биология - наука XXI века», Пущино, 2003; Ш-ем конгрессе радиационных исследований (Киев, Украина), 2003; 4-ой международной научно-практической конференции "Проблемы сельскохозяйственной радиологии - 17 лет спустя после аварии на ЧАЭС" (Житомир, Украина), 2003.
По теме диссертации опубликовано и находится в печати 8 работ.
Структура и объем диссертации. Диссертация изложена 132 страницах машинописного текста, включает 7 глав, 32 таблиц, 6 рисунков и список публикаций из 199 наименований.
Автор выражает искреннюю признательность научным руководителям работы профессору Н.И. Санжаровой, кандидату биологических наук И.В. Коноплевой за постоянную помощь в работе. Выражаю таюке благодарность доктору биологических наук СИ. Спиридонову за консультации и помощь в обработке результатов исследований.
