М Вінічук - Гранулометричний склад ґрунту як фактор накопичення 137cs рослинами - страница 1

Страницы:
1  2 

ISSN 0206-5657. Вісник Львівського університету. Серія біологічна. 2011. Випуск 57. С. 131-138 Visnyk of the Lviv University. Series BIology. 2011. Issue 57. P. 131-138

УДК 631.435:574.4:546.36

ГРАНУЛОМЕТРИЧНИЙ СКЛАД ҐРУНТУ ЯК ФАКТОР НАКОПИЧЕННЯ 137CS РОСЛИНАМИ

М. Вінічук

Житомирський державний технологічний університет вул. Черняховського, 103, Житомир 10005, Україна Кафедра Ґрунтів і Навколишнього Середовища, Шведський університет сільськогосподарських наук PO Box 7014, SE-750 07, Уппсала, Швеція e-mail: Mykhailo. Vinichuk@slu.se

У результаті дослідження впливу гранулометричного складу ґрунту на рівні накопичення 137Cs наземною фітомасою рослин в умовах вегетаційного досліду встановлено, що для рослин райграсу багатоукісного (Lolium multiflorum L.), жита озимого (Secale cereale L.) та плодів огірків (Cucumis sativus L.) найвищі значення коефіцієнтів накопичення становили відповідно 0,61-0,77; 0,54 та 8,5 при вирощуванні їх на супіщаному ґрунті. Найвищі значення нагромадження (виносу) 137Cs із ґрунту в % від його загального вмісту у ґрунті надземною фітомасою райграсу й озимого жита також спостерігались на піщаному ґрунті і становили 0,39 та 0,23% відповідно. Рослини огірків найбільше нагромаджували (виносили) 137Cs із торф'яного та середньосупіщаного ґрунту - 3,41 та 3,02% відповідно.

Ключові слова: жито озиме, коефіцієнти накопичення, огірки, райграс багатоукісний, Cucumis sativus, Lolium multiflorum, Secale cereale, 137Cs.

Відомо, що ґрунти за доступністю для засвоєння 137Cs рослинами утворюють пев­ний спадаючий ряд: торфово-болотний, дерново-підзолистий, сірий лісовий і чорнозем. З іншого боку, взаємодія між ґрунтом і рослиною також певною мірою визначає розмір доступної для надходження у рослини частки радіонуклідів, що оцінюється значеннями коефіцієнтів накопичення або переходу радіонукліду з ґрунту в рослину. Залежно від біо­логічних особливостей рослин (незалежно від типу ґрунту, на якому вони вирощуються) сільськогосподарські культури за зменшенням коефіцієнтів накопичення 137Cs також розмі­щуються в певній послідовності: сіно природних і сіяних злакових трав, овочеві культури, коренеплоди, бульби картоплі, зерно зернових культур [3]. Акумуляція радіонуклідів рос­линами з ґрунту визначає початкові масштаби включення радіонуклідів у харчові ланцюги в системі: радіоактивні випадіння - ґрунт - сільськогосподарські рослини - сільськогос­подарські тварини - людина. Фіксація 137Cs у ґрунті обумовлена взаємодією іонів нукліда з кристалічною решіткою глинистих мінералів - тонкодисперсних глинистих і мулистих часток (діаметром менше 0,001 мм). Тому навіть у одного типу ґрунтів нагромадження ра­діонуклідів рослинами може змінюватись на порядок [1]. У торф'яних ґрунтах, що містять незначну кількість мінеральних, у тому числі й тонкодисперсних фракцій, ємність погли­нання низька, а отже, і здатність до утримання радіонуклідів також обмежена.

Між тим, з часом у ґрунті відбувається процес, відомий як «старіння» радіонуклі­дів - комплекс ґрунтових кристало-хімічних реакцій із можливим входженням радіонуклі­да в кристалічну структуру вторинних глинистих мінералів. При цьому згідно з даними S. Krouglov et al. [10] розміри засвоєння рослинами 137Cs можуть стабілізуватись на певному рівні та навіть зменшуватись. Значна частина досліджень щодо впливу властивостей ґрунтів

© Вінічук М., 2011на рівні накопичення радіонуклідів проводилася ще у перші роки після Чорнобильської ава­рії [6, 10]. Глинисті та мулисті частинки (менше 0,001 мм) є найбільш активною частиною ґрунту. Активність 137Cs у них перевищує активність решти ґрунтової маси, сприяючи зни­женню рухомості останнього [4]. Оскільки динаміка «старіння» радіонуклідів і відповідно їхня біологічна доступність залежатиме від гранулометричного складу ґрунту, ми в умовах вегетаційного досліду вивчили рівні накопичення 137Cs сільськогосподарськими рослина­ми на трьох мінеральних ґрунтах чітко відмінного гранулометричного складу, а також на торф'яному ґрунті. Мета досліджень - рівні накопичення радіонукліда залежно від грану­лометричного складу ґрунту через 24 роки після випадіння радіоактивних опадів. До складу досліджуваних увійшли рослини, що характеризуються як високими значеннями коефіцієн­тів накопичення 137Cs (райграс), так і середніми (огірки) та низькими (озиме жито).

Матеріали та методи

Рослини вирощували на трьох мінеральних (глинистий, середньосуглинковий і су­піщаний) і торф'яному ґрунтах, заготовлених відповідно у чотирьох місцевостях Швеції, що зазнали радіоактивного забруднення у 1986 р. (табл. 1). У кожному місці було відібрано верхній 0-15 см шар ґрунту (~ 300 кг) з 3-4 індивідуальних ділянок на площі близько 100 м2. Середньосуглинковий ґрунт попередньо використовували у польовому досліді [9], що ви­конувався у 1961 р. Восени 1960 р. ґрунт було відібрано з поля у провінції Vastergotland. У 1961 р. ґрунт було забруднено 137Cs з розрахунку 35,7 МБк м-2, перемішано з орним шаром з подальшим вирощуванням рослин протягом кількох років [9]. Через 47 років активність 137Cs становила близько 42 кБк кг-1. У лабораторії заготовлений ґрунт було старанно пере­мішано, просіяно через сито розміром отворів 2 мм та видалено каміння. Рослини виро­щували у вегетаційних судинах об'ємом 4,2 дм3 в теплиці. З метою виключення впливу інших іонів на надходження 137Cs в рослини мінеральні добрива не вносили. Вирощували рослини огірків (Cucumis sativus L.), райграсу багатоукісного (Lolium multiflorum L., сорт 'Corvus') та озиме жито (Secale cereale L.). Повторність досліду 7-кратна. Кліматичні умо­ви в теплиці підтримували в такому режимі: 16 годин день, 8 годин ніч; інтенсивність освітлення (ФАР) 110-140 мкМ м-2 сек-1; температура вдень 20°C, вночі 15°C, відносна вологість повітря 70%. Приблизно через 11 тижнів інтенсивність освітлення зменшили до 70-110 мкМ м-2 сек-1. Рослини вирощували протягом 16-18 тижнів, залежно від виду рос­лин, після чого урожай збирали, рослинний матеріал висушували до постійної ваги, зважу­вали, подрібнювали, просівали через сито 2 мм і аналізували на вміст 137Cs. Плоди огірків аналізували свіжими. Активність137Cs у ґрунті та рослинному матеріалі визначали з ви­користанням напівпровідникових германієвих детекторів, сполучених з багатоканальним аналізатором. Результати перераховували на дату відбору зразків. Коефіцієнти накопичен­ня 137Cs (КН) розраховували як відношення 137Cs Бк кг-1 сухої ваги в рослині до 137Cs Бк кг-1 сухої ваги у ґрунті. Статистичний аналіз результатів проводили за допомогою програмного забезпечення Minitab (© 2007 Minitab Inc.).

Результати і їхнє обговорення

Результати основних характеристик досліджуваних ґрунтів наведено у табл. 1. Ґрунти характеризуються як чітко відмінним гранулометричним складом, так і агрохі­мічними показниками. Ґрунти класифікували за сумарним вмістом глинистих та мулис­тих фракцій (фракція пилу 0,06-0,002 мм + фракція мулу < 0,002 мм), на підставі чого розрізняли супіщаний, середньосуглинковий і глинистий ґрунти з вмістом цих фракцій 10,6, 57,9 та 81,7% відповідно. У торф'яному ґрунті вміст глинистих і мулистих фракцій умовно прийнято за 1.

Таблиця 1

Основні характеристики досліджуваних ґрунтів (на повітряно-суху масу)

Параметри

Торф

Супіщаний

1 Середньосуглинковий I

Глинистий

 

Mojsjovik

Hille

Vara

Skogsvallen

Місце відбору зразків

17°14' сх.д.

17°11' сх.д.

12°49' сх.д.

17°10' сх.д.

 

59°57' пн.ш.

60°44' пн.ш.

58°13' пн.ш.

60°10' пн.ш.

Характер використання землі

Пасовище

Пасовище

Польовий дослід

Пасовище

137Cs, Бк кг-1 (M±m)

1008+14

691+11

41481 +177

526+13

Гранулометричний склад, %:

 

 

 

 

гравій (> 2 мм)

 

13,4

0,8

5,2

пісок (2-0.06 мм)

 

76,1

42,3

13,1

пил (0.06-0.002 мм)

 

6,5

41,7

40,2

мул (< 0.002 мм) Щільність, г ем-3

 

4,1

16,2

41,5

 

0,66

1,16

1,10

0,96

pH (0.01 M CaCl)

4,7

4,2

4,9

4,8

Ємність вбирання, мг-екв 100 г-1:

 

 

 

 

Ca

82,6

1,8

10,9

15,8

K

0,89

0,11

0,66

0,54

K, HNO3

1,8

1,6

6,2

13,6

K-AL

0,92

0,11

0,71

0,47

Ступінь насичення основами, %

62,6

28,6

69,9

70,8

Наземну фітомасу досліджуваних рослин оцінювали з метою подальшого визначення загального накопичення (виносу) радіоактивності з урожаєм. Рослини огірків, зокрема ті, що вирощувались на торф'яному та супіщаному ґрунті, були слабо розвинені, й окремі з них не формували плодів. Найсприятливіші умови для росту й розвитку всіх досліджуваних рослин спостерігали при вирощуванні їх на середньосуглинковому ґрунті з вмістом глинистих і мулистих фракцій близько 60% (табл. 2).

Таблиця 2

Фітомаса досліджуваних рослин залежно від вмісту глинистих і мулистих фракцій, г судину-1 (М±т)

 

Вміст

Райграс

Огірки

 

Тип ґрунту

глинистих

 

 

 

 

 

Жито1)

 

і мулистих фракцій, %

1-й укіс

2-й укіс

плід

рослина

разом

 

Торф

 

2,20±1,35

2,18±1,05

4,07±3,74

4,43±4,21

6,76±7,583)

6,00±0,90

Супіщаний

10,6

3,92±0,34

1,93±0,09

2,01±1,13

2,59±0,67

3,74±1,973)

4,17±0,78

Середньо-суглинковий

57,9

5,12±0,64

5,02±0,87

19,02±4,79

18,46±4,27

37,48±7,26

9,37±1,99

Глинистий

81,7

3,58±2,10

2,59±1,20

12,74±4,55

8,79±1,52

21,54±5,43

5,43±1,67

Примітки: 1) вегетативна маса, 2) вміст глинистих і мулистих фракцій умовно, 3) слабо розвинені рослини.

Перехід 137Cs (КН) із ґрунту у рослини райграсу, огірків і жита залежно від вмісту глинистих та мулистих фракцій наведено на рис. 1, а, 1, б та 1, в відповідно. Коефіцієнти накопичення 137Cs рослинами жита і райграсу мало відрізнялись між собою та не переви­щували 0,8. Найвищі значення КН спостерігались у рослинах огірків, зокрема у плодах.

Акумуляцію радіоцезію (КН 137Cs > 1) плодами огірків спостерігали на всіх ґрунтових відмінах, незалежно від гранулометричного складу ґрунту, хоча значення КН 137Cs закономірно знижувались у міру зниження вмісту глинистих і мулистих фракцій.о

10 0,9 0,8 0,7 Щ 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0.0

14,0 12,0 10.0 З S.0

" 6.0 4,0 2,0 0.0

0.9 -

0.S -

0.7 -

0.6 -

К

и 0.5 -

" 0-4 0.3 0,2 0.1

0.0

0.77

□ 1-й у кіс ■ 2-й у кіс

0.61

0.05 0.0S

0.03

0.04

0.01

10,6 57,9 81,7

Вміст глинистих і мулових фракцій, %

0.57

□ плід

і рослина

3.50

1.22

2.39

0.25

0.1S

1 10,6 57.9 S1.7

Вміст глинистих і мулових фракцій, %

0.39

0,54

I

0.09

0,05

1 10.6 57.9 81,7

Вміст глинистих і мулових фракцій, %

Рис. 1. Коефіцієнти накопичення 137Cs райграсом (а), огірками (б) та житом (в) залежно від вмісту глинистих і мулистих фракцій, %.

Характерно, що як для плодів огірків, так і для рослин райграсу найнижчі значення КН 137Cs відзначено не у глинистому ґрунті з найвищим (81,7%) вмістом глинистих і мулистих фракцій, а у середньосуглинковому ґрунті з помітно нижчим (на 24%) їх вмістом.

Очевидно, що порушення закономірності зниження накопичення 137Cs із підвищенням вмісту глинистих і мулистих фракцій може бути наслідком процесу «старіння» радіонуклідів. У дослідах з послідовного екстрагування радіоцезію з того ж середньосуглинкового ґрунту забрудненого розчином хлориду цезію (137CsCl) 40 років тому легкорозчинна фракція (H2O та NH4Ac) становила лише 0,94% загальної екстрагованої кількості радіонукліду, тоді як решта - понад 96% була міцно зв'язаною (HNO3 та залишкова) фракцією [13]. Крім того, низькі значення коефіцієнтів накопичення 137Cs у рослинах, що росли на середньосуглинковому ґрунті, можуть бути наслідком підвищеного виходу наземної фітомаси (табл. 2) та відповідно "ефекту розбавлення" вмісту радіонукліду на її одиницю.

Рослини жита і плоди огірків приблизно однаково накопичували радіоцезій при вирощуванні їх як на торф'яному, так і на супіщаному ґрунтах. Значення КН 137Cs становили 0,39 та 0,54 для рослин жита і 7,7 та 8,5 для плодів огірків відповідно. Відомо, що огірки накопичують досить ефективно. За результатами вегетаційного досліду проведеним Gouthu et al. [8] щодо дослідження здатності різних культур акумулювати радіоцезій і можливості їхнього використання з метою фіторемедіації забруднених радіонуклідами ґрунтів було показано, що огірки разом з іншими овочевими культурами накопичували найбільше не лише цезій, а й рубідій і стронцій порівняно з іншими 32 видами рослин. Високі значення коефіцієнтів накопичення (КН = 0,66-1,8; Бк кг-1 у рослині / Бк кг-1 у ґрунті) у рослинах огірків також спостерігали при вирощуванні їх на органогенних ґрунтах у дослідах, проведених Malma et al. [11]. Одержані нами дані підтверджують, що рослини огірків (плоди) можуть розглядатись як накопичувачі радіоцезію з високими значеннями КН, тому при вирощуванні їх на легких за механічним складом ґрунтах в умовах радіоактивного забруднення треба перевіряти їх на вміст радіонуклідів і виключити їхнє споживання у разі перевищення встановлених норм. Згідно з даними K. Bunzl і W. Kracke [6], жито характеризується порівняно невисокими значеннями радіоактивності: значення коефіцієнтів переходу із ґрунту в рослини перебували у межах 0,10-0,22 (Бк кг-1/ кБк м-2), тоді як для борошна 0,013-0,018. Також показано, що при вирощуванні озимого жита на дерново-підзолистому піщаному ґрунті ефективним засобом зниження вмісту радіонуклідів є внесення калійних добрив [2].

У рослинах райграсу, що вирощувались на торф'яному ґрунті, КН 137Cs були на рівні тих, що росли на середньосуглинковому і глинистому ґрунтах і коливались у межах від 0,01 до 0,08. Значення КН 137Cs райграсом виявилися нижчими від тих, що одержані в умо­вах польового досліду, проведеного понад 10 років тому. Так, згідно з даними S. Askbrant та J. Sandalls [5], в рослинах райграсу, що вирощувалися на мінеральних (дерново-підзолис­тих) ґрунтах в радіоактивно забруднених районах України, Білорусі та Росії у 1997 р. рівні накопичення 137Cs (КН, Бк кг-1 у рослині / Бк кг-1 у ґрунті 0-10 см) були в межах 0,05-0,39, тоді як на торф'яному ґрунті - в межах від 0,05 до 0,76. Хоча умови проведення досліджень можуть суттєво відрізнятися, 5-10-кратне зниження рівнів накопичення 137Cs райграсом з роками є досить помітним. Разом з тим, прогнозувати рівні надходження 137Cs у рослини райграсу, на відміну від інших рослин (боби та салат), що вирощуються на мінеральних ґрунтах за допомогою математичних моделей, не вдається. За результатами дослідів з ви­користанням лізиметрів N. Waegeneers et al. [12] виявили, що рослини райграсу накопичу­вали у 40 разів більше 137Cs, ніж передбачалося згідно з розрахунками.

Як випливає з даних табл. 3, нагромадження (винос) 137Cs досліджуваними росли­нами залежить як від властивостей ґрунту, так і від їхніх біологічних особливостей. Зага­лом, у наземній фітомасі рослин, особливо райграсу та жита, було нагромаджено незначнучастку загальної радіоактивності ґрунту - менше 0,4%. Рослини огірків нагромаджують (виносять) зі своєю фітомасою помітно більшу частину загальної радіоактивності ґрунту. Так, рослинами та плодами огірків залежно від ґрунту було винесено 137Cs 1,3-3,4% його загального вмісту у ґрунті. Найвищий винос радіонукліду огірками був на торф'яному та середньосуглинковому ґрунті, що в першому випадку пояснюється високими значення­ми коефіцієнтів накопичення (рис. 1, б), а в другому - високими значеннями показників фітомаси (табл. 2). Рослини огірків, що вирощувались на супіщаному ґрунті, хоча і по­казали найвищі значення КН 137Cs (рис. 1, б), були слабо розвинені (табл. 2). У результаті ними було нагромаджено лише 1,3% 137Cs його загального вмісту у ґрунті. Рослини огірків, що вирощувалися на глинистому ґрунті, винесли з наземною фітомасою 2,3% 137Cs. Зага­лом низька доступність 137Cs для рослин пов'язана з обмінним і необмінним механізмом поглинання, тобто інкорпорацією його у кристалічні структури первинних та вторинних мінералів [7]. Отже, найбільший винос 137Cs надземною фітомасою райграсу та жита спо­стерігався при вирощуванні їх на супіщаному ґрунті (0,39 та 0, 23% від загального вмісту у ґрунті) відповідно, тоді як рослинами огірків на торф'яному (3,4%) та середньосуглин-ковому (3,0%) ґрунтах.

Таблиця 3

Нагромадження (винос) 137Cs із ґрунту наземною фітомасою рослин (у % від загального вмісту у ґрунті, М±т)

 

Вміст

Райграс (1-й та 2-й укоси)

Огірки

 

Тип ґрунту

глинистих і мулистих фракцій, %

 

плід

рослина

разом

Жито"

Торф

 

0,02±0,01

3,11±2,53

0,17±0,24

3,41±2,82

0,20±0,18

Супіщаний

10,6

0,39±0,08

1,23±0,62

0,06±0,02

1,30±0,62

0,23±0,09

Середньосуглинковий

57,9

0,02±0,00

2,53±1,47

0,49±0,11

3,02±1,57

0,09±0,03

Глинистий

81,7

0,01±0,00

2,14±1,14

0,16±0,04

2,30±1,15

0,01±0,02

Примітки. 1) вегетативна маса, 2) вміст глинистих і мулистих фракцій умовно.

У результаті досліджень встановлено, що райграс багатоукісний, жито озиме та плоди огірків найбільше 137Cs накопичують при вирощуванні їх на супіщаному ґрунті: КН становили 0,61-0,77; 0,54 та 8,5 відповідно. Плоди огірків приблизно однаково ефективно акумулюють 137Cs при вирощуванні їх як на супіщаному (КН = 137Cs 8,5), так і на торф'яному (КН = 137Cs 7,1) ґрунтах. З цих же ґрунтів з урожаєм рослини огірків можуть забезпечити винос (нагромадження) понад 137Cs 3% його загального вмісту у ґрунті.

Страницы:
1  2 


Похожие статьи

М Вінічук - Гранулометричний склад ґрунту як фактор накопичення 137cs рослинами

М Вінічук - Динаміка накопичення 137cs окремими видами макроміцетів і рослин бореальних лісових екосистем

М Вінічук - Калій рубідій і цезій у популяції suillus variegatus в лісових екосистемах швеції

М Вінічук - Порівняльна оцінка накопичення 137cs рослинами соняшнику та ріпаку ярого залежно від гранулометричного складу Ґрунту