Радиационная биология. Радиоэкология, 2022, T. 62, № 6, стр. 660-672

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДИКА

Агрохимическое и радиологическое обследования почв реперных участков и культурных растений на содержание ЕРН и ИРН проводили в 2019 г., в соответствии с ежегодным мониторингом почв земель сельскохозяйственного назначения на 33 реперных участках, занятых серыми лесными и дерново-подзолистыми почвами, расположенных на территории Владимирской области (рис. 1), путем отбора образцов растений и почв из пахотного горизонта (0–20 см) для анализов.

Рис. 1.

Почвенная карта Владимирской области.

Примечание. Цифрами на карте обозначены номера реперных участков.

Fig. 1. Soil map of the Vladimir region.

Крутизна склонов реперных участков не превышала 5° при средней величине в 1.3°. Реперные участки располагались, в основном, на пахотных землях и кормовых естественных угодьях, преобладающая растительность участков – культурные растения: вика посевная (Vicia sativa L.), овес посевной (Avena sativa L.), клевер розовый (Trifolium hybridum L.), кукуруза сахарная (Zea mays L.), рапс (Brassica napus L.), пшеница мягкая (Triticum aestivum L.) и злаковое разнотравье, в основном, в виде полевицы собачьей (Agrostis canina L.) и мятлика лугового (Poa pratensis L.).

Общая площадь обследованных почв реперных участков составила 1184 га (100%), в том числе площадь, занятая серыми лесными почвами, – 386 га (32.6%), дерново-подзолистыми – 798 га (67.4%).

С отдельного реперного участка в зависимости от его площади с помощью тростевого бура отбиралось несколько смешанных образцов почвы. Один смешанный образец массой около 0.5 кг был составлен из 25–30 точечных проб и в среднем отбирался с каждых 6–7 га площади реперного участка.

Смешанную пробу растений массой около 0.5 кг натуральной влажности составляли из 8–10 точечных проб.

Пробы почв и растений отбирали параллельно с одних и тех же мест реперных участков.

Отобранные образцы почв и растений высушивали до воздушно-сухого состояния и измельчали на мельнице.

Физико-химические анализы почв были выполнены по следующим методикам: обменная кислотность (рН_KCI): ГОСТ Р 58594-2019; обменные основания кальция и магния (Сa и Mg): ГОСТ 26487-85; органическое вещество (С_орг) (по Тюрину в модификации ЦИНАО): ГОСТ 26213-91; сумма поглощенных оснований (S) (по методу Каппена): ГОСТ 27821-88; фракции физической глины и ила (по Качинскому) [9].

Определение всех изучаемых РН производили на приборе УСК “Гамма Плюс” (Россия) в счетных образцах на сцинтилляционном гамма-, бета-спектрометре с использованием программного обеспечения “Прогресс” (ВНИИФТРИ, 2003).

¹³⁷Cs в почве и ⁹⁰Sr в почве и растительных образцах определяли согласно методическим рекомендациям [10], ¹³⁷Cs в растительной продукции по ГОСТ Р 54040-2010. Гамма-спектрометрию проб почвы проводили в геометрии сосуда Маринелли объемом 1 л. Растительные образцы на определение ¹³⁷Cs и ⁹⁰Sr предварительно озоляли (до концентрации более чем в 10 раз), после чего золу помещали в чашки Петри (¹³⁷Cs) и измерительные кюветы (⁹⁰Sr).

Для получения данных по удельной активности ¹³⁷Cs в растительных образцах значительно увеличивалось время экспозиции до 2–5 ч и более.

Измерение МЭД γ-излучения проводили согласно методическим указаниям по проведению комплексного мониторинга плодородия почв земель сельскохозяйственного назначения [11].

МЭД γ-излучения измеряли в полевых условиях на высоте 1 м над поверхностью почвы сцинтилляционным геологоразведочным радиометром СРП-68-01 (Россия). На каждом реперном участке проводили восемь замеров, с последующим подсчетом среднего значения.

Для оценки перехода ИРН из почвы в растения нами рассчитывали коэффициент накопления (К_Н), равный отношению удельной активности ИРН в растениях (Бк/кг) к его активности в почве (Бк/кг).

Коэффициент перехода (К_П) определяли как отношение удельной активности РН в растениях (Бк/кг) к плотности загрязнения почвы на единицу площади (кБк/м²).

При статистической обработке данных проводили проверку закона нормального распределения с помощью критериев Шапиро–Уилка и Колмогорова–Смирнова. При ненормальном распределении признака использовали критерий Манна–Уитни. Средние уровни значений изучаемых показателей в исследуемых почвах сравнивали между собой с помощью двухвыборочного t-критерия Стьюдента. Для выявления взаимосвязей при нормальном распределении признака рассчитывали коэффициенты парной линейной корреляции Пирсона с использованием статистической программы “Statisticaˮ (версия 10).

РЕЗУЛЬТАТЫ

Процессы накопления, распределения и миграции РН в почвах зависят от многих факторов, среди которых важное значение играют содержание органического вещества и его качественный состав, кислотность почвенной среды, химический, гранулометрический и минералогический составы, характер увлажнения, рельеф местности и происхождение почвообразующих пород [12].

Чтобы изучить влияние физико-химических показателей почв на особенности поведения в них РН, было проведено агрохимическое обследование исследуемых почв реперных участков. Результаты обследования представлены в табл. 1.

Результаты определения удельной активности ЕРН позволяют дать более точную характеристику радиационной обстановки на исследуемой территории путем сравнения их удельных активностей в изучаемых почвах с их общемировыми или региональными значениями, а ИРН – со среднестатистическим их содержанием в почвах, обусловленном глобальными выпадениями. Удельные активности ИРН (¹³⁷Cs и ⁹⁰Sr) и ЕРН (⁴⁰К, ²³²Th и ²²⁶Ra) в серых лесных и дерново-подзолистых почвах реперных участков приведены в табл. 2.

Известно, что удельные активности ЕРН в почвах мира варьируют в широких диапазонах, а в качестве среднемировых приняты следующие значения: ²²⁶Ra – 30 Бк/кг, ²³²Th – 32 Бк/кг, ⁴⁰K – 450 Бк/кг. По данным Тихомирова, содержание ²³²Th и ⁴⁰K в серых лесных почвах России в среднем составляет 32 и 450 Бк/кг почвы, в дерново-подзолистых – 27 и 360 Бк/кг соответственно [13].

Средние удельные активности ²²⁶Ra, отмеченные на исследованных территориях реперных участков серых лесных и дерново-подзолистых почв Владимирской области (табл. 2), были ниже в 1.30 и 2.17 раза среднемирового значения. Средняя активность ²³²Th в реперных участках серых лесных почв Владимирской области в целом соответствовала среднемировому значению и значению, свойственному для данной почвы. В дерново-подзолистых почвах участков средняя активность ²³²Th была в 2.14 и 1.81 раза меньше значений среднемировой и региональной активностей. Средняя удельная активность ⁴⁰K в серых лесных почвах участков была в 1.13 раза выше, а в дерново-подзолистых почвах – в 1.23 раза ниже фоновых значений для каждой из почв.

Удельные активности ¹³⁷Cs и ⁹⁰Sr в обследованных реперных участках почв не превышали значений фона глобальных выпадений – 4–30 и 1–18 Бк/кг соответственно [14].

Серые лесные почвы отличались несколько меньшими средними уровнями активностей ¹³⁷Cs и ⁹⁰Sr, чем дерново-подзолистые почвы, и, наоборот, активность серых лесных почв по содержащимся в них ²³²Th, ⁴⁰K и ²²⁶Ra была выше в 2.32, 1.73 и 1.67 раза средних значений удельных активностей в дерново-подзолистых почвах соответственно (табл. 2).

Отмеченные различия по удельной активности ²³²Th, ⁴⁰K и ²²⁶Ra в исследуемых почвах, по-видимому, можно объяснить разным типом подстилающих пород, на которых сформировались серые лесные и дерново-подзолистые почвы Владимирской области, а также антропогенной деятельностью, обусловленной внесением на серых лесных почвах более высоких доз калийных удобрений, чем на дерново-подзолистых.

Плотность загрязнения (запас) ¹³⁷Cs и ⁹⁰Sr в пахотном горизонте (0–20 см) исследованных почв составляет 0.74–1.85 и 0.37–1.11 кБк/км² соответственно (табл. 2), что значительно ниже допустимых уровней относительно удовлетворительной экологической обстановки в 37 и 3.7 кБк/м² соответственно, и позволяет отнести исследованные почвы реперных участков Владимирской области к незагрязненным территориям [1].

Как показал расчет критерия Манна–Уитни при ненормальном распределении показателя, плотность загрязнения участков с серыми лесными почвами по ¹³⁷Cs, ⁹⁰Sr, ⁴⁰К и ²²⁶Ra несущественно отличается от уровня этого показателя на участках с дерново-подзолистыми почвами.

Распределение значений плотности загрязнения участков обеих почв по ²³²Th отвечает нормальному закону распределения признака и в этой выборке расчет значений t-критерия Стьюдента выявил достоверное различие.

В среднем по Владимирской области МЭД γ-излучения почв реперных участков не превышает средних значений, характерных для почв сельскохозяйственных угодий России (11.4 мкР/ч) [15] и составляет 8 мкР/ч. Стоит отметить тот факт, что среднее значение МЭД γ-фона участков с серыми лесными почвами было больше в 1.7 раза значения γ-фона участков с дерново-подзолистыми почвами (табл. 2). Вероятной причиной различного проявления МЭД γ-фона было неодинаковое вертикальное распределением ¹³⁷Cs и ⁹⁰Sr по профилю изучаемых почв.

Полученные нами значения МЭД γ-излучения полностью подтверждаются сведениями, приведенными в работе Трифоновой [16].

Сравнение значений МЭД γ-фона серой лесной и дерново-подзолистой почв по двум аналогичным выборкам показало, что между исследуемыми почвами имеются существенные различия, это подтверждалось расчетом значений t-критерия Стьюдента (p < 0.05).

Отмеченные корреляционные взаимосвязи между физико-химическими свойствами почв и удельными активностями ¹³⁷Cs, ⁹⁰Sr, ²³²Th, ⁴⁰K и ²²⁶Ra, а также между самими изучаемыми РН указаны в табл. 3.

Данные по удельной активности ¹³⁷Cs и ⁹⁰Sr в культурных растениях и К_П¹³⁷Cs и ⁹⁰Sr из почвы в растения отражены в табл. 4.

Считается, что накопление радионуклидов растениями зависит от типа почвы. В сельскохозяйственной радиобиологии установилось понимание того, что из почв низкого плодородия, кислых и обедненных основаниями Ca и Mg, легкого гранулометрического состава ¹³⁷Cs и ⁹⁰Sr более интенсивно поступают в растения по сравнению с высокоплодородными и богатыми основаниями почвами [17–19].

В то же время немалое влияние на накопление ИРН растениями также оказывают и биологические особенности самих сельскохозяйственных культур, обусловленные видовой принадлежностью. Например, различия в накоплении ⁹⁰Sr у зерновых и бобовых культур, выращенных на одной почве, различаются в 85 раз, у корнеплодов и овощных культур – в 350 раз [20], у кукурузы – в 10–15 раз [21].

Установленные для культурных растений величины К_Н¹³⁷Cs и ⁹⁰Sr для надземной фитомассы травостоев на участках с серыми лесными и дерново-подзолистыми почвами укладывались в пределы от 0.13 до 0.44 и от 0.23 до 0.66 соответственно, что хорошо согласовывалось со значениями К_Н¹³⁷Cs = 0.02–1.1 и К_Н⁹⁰Sr = 0.02–12, приведенными в работе [22].

Однолетние травы (вика, овес) отличались заметно большим в 2.54 и 2.13 раза накоплением ¹³⁷Cs и ⁹⁰Sr из дерново-подзолистой почвы, чем из серой лесной. Растения злаковых трав (полевица, мятлик), кукурузы и клевера в надземной массе в 1.07, 1.14 и 1.47 раза больше накапливали ¹³⁷Cs из серой лесной почвы, чем из дерново-подзолистой и в 1.05, 1.12 и 1.37 раза больше ⁹⁰Sr соответственно. Накопление ⁹⁰Sr из серой лесной почвы зеленой массой рапса было в 1.47 раза больше, чем накопление растениями ¹³⁷Cs (рис. 2–3).

Рис. 2.

Коэффициенты накопления ¹³⁷Cs растениями.

Fig. 2. Coefficients of accumulation of ¹³⁷Cs by plants.

Рис. 3.

Коэффициенты накопления ⁹⁰Sr растениями.

Fig. 3. Accumulation coefficients of ⁹⁰Sr by plants.

Многочисленными исследованиями установлено, что РН в генеративных органах растений (зерно, плоды и др.) накапливаются существенно меньше, чем в надземных вегетативных органах (солома, листья) [23, 24].

Расчет коэффициентов корреляции Пирсона показал, что между удельной активностью ¹³⁷Cs и ⁹⁰Sr в зерне и соломе пшеницы отмечена недостоверная взаимосвязь прямой зависимости: $r_{{{\text{Cs}}\,{\text{зерно/солома}}}}^{{137}}$ = 0.63 и $r_{{{\text{Sr}}\,{\text{зерно/солома}}}}^{{90}}$ = 0.45, при Р = = 0.95, r_знач = 0.75.

ОБСУЖДЕНИЕ

Расчет значений t-критерия Стьюдента при сравнении двух независимых выборок серой лесной и дерново-подзолистой почв участков по удельной активности ¹³⁷Cs, ⁹⁰Sr, ²³²Th, ⁴⁰К и ²²⁶Ra показали, что между значениями удельных активностей ¹³⁷Cs и ⁹⁰Sr в серой лесной и дерново-подзолистой почвах отсутствуют статистически значимые различия, для ²³²Th, ⁴⁰К и ²²⁶Ra достоверные различия имеются, т.е. присутствие ИРН в исследуемых почвах обусловлено, прежде всего, глобальными выпадениями ¹³⁷Cs и ⁹⁰Sr на территории области, а содержание ЕРН определяется разным происхождением почв и различиями в физико-химических свойствах.

Проведенный корреляционный анализ показал наличие достоверных прямых корреляционных связей высокой силы между МЭД γ-излучения серой лесной: ${{r}_{{({\text{МЭД}}{{{\text{/}}}^{{40}}}{\text{K}})}}}$ = 0.79, при r_знач = 0.67 и дерново-подзолистой: ${{r}_{{({\text{МЭД}}{{{\text{/}}}^{{40}}}{\text{K}})}}}$ = 0.80, при r_знач = = 0.40 почвами и удельной активностью ⁴⁰К. Следует отметить, что из многих РН, являющихся γ-излучателями, ⁴⁰К отличается наибольшими концентрациями присутствия во многих почвах мира.

Отсутствие значимых связей между МЭД γ-излучения серой лесной: ${{r}_{{({\text{МЭД}}{{{\text{/}}}^{{137}}}{\text{Cs}})}}}$ = 0.35, при r_знач = = 0.67 и дерново-подзолистой: ${{r}_{{({\text{МЭД}}{{{\text{/}}}^{{137}}}{\text{Cs}})}}}$ = 0.18, при r_знач = 0.40 почвами и удельной активностью ¹³⁷Cs можно объяснить очень низкими значениями активности и, следовательно, малым вкладом ¹³⁷Cs в формирование суммарного фона γ-излучения серых лесных и дерново-подзолистых почв участков.

Имеются многочисленные данные о связи содержания РН в почве с размером и удельной поверхностью почвенных частиц [6, 23].

Наличие мелкодисперсных частиц фракции физического ила (<0.001 мм, %) не коррелирует с сорбцией изучаемых ИРН и ЕРН почвами. В то же время, судя по значениям коэффициентов корреляции (r = 0.45–0.48, при P = 0.05), достоверно установлено, что содержание частиц фракции физической глины (<0.01 мм, %) приводит к увеличению удельной активности ЕРН в дерново-подзолистой почве. По-видимому, это вызвано тем, что ²³²Th, ⁴⁰K и ²²⁶Ra входят в состав почвенных минералов, размер частиц которых составляет от 0.01 до 0.001 мм. На связь присутствия ²³²Th в составе первичных минералов фракции почвенных частиц размером порядка 100 мкм указано в работе [25].

Содержание C_орг и уровень рН_KCl не оказывали достоверного влияния на аккумуляцию ИРН и ЕРН обеими типами почв (табл. 3).

Обменные Ca и Mg, а также другие поглощенные основания (параметр S) существенно влияли только на удельную активность ²³²Th, ⁴⁰K и ²²⁶Ra в дерново-подзолистых почвах. Между Mg и ²³²Th в серых лесных почвах отмечена достоверная положительная взаимосвязь (r = 0.74, Р = 0.05). Предположительно, что между ЕРН и обменными основаниями в дерново-подзолистых почвах существуют какие-то схожие механизмы взаимодействия с органическими и минеральными компонентами почвы.

Анализ корреляционных связей показал, что распределение ¹³⁷Cs и ⁹⁰Sr, ²³²Th и ⁴⁰K в обеих почвах имеет общую закономерность, на что указывают высокие коэффициенты корреляции Пирсона: ${{r}_{{^{{137}}{\text{Cs}}{{{\text{/}}}^{{90}}}{\text{Sr}}}}}$ = 0.99–1.00 и ${{r}_{{^{{232}}{\text{Th}}{{{\text{/}}}^{{40}}}{\text{K}}}}}$ = 0.82–0.86, как и между накоплением ²²⁶Ra и ²³²Th, ²²⁶Ra и ⁴⁰K в дерново-подзолистых почвах: ${{r}_{{^{{226}}{\text{Ra}}{{{\text{/}}}^{{232}}}{\text{Th}}}}}$ = 0.79 и ${{r}_{{^{{226}}{\text{Ra}}{{{\text{/}}}^{{40}}}{\text{K}}}}}$ = 0.91.

Настоящим исследованием были определены последовательности культур в ряду накопления ¹³⁷Cs и ⁹⁰Sr из серой лесной и дерново-подзолистой почв реперных участков. Установлено, что усредненное значение удельной активности в сене и зеленой массе культур как по ¹³⁷Cs, так и по ⁹⁰Sr, выращенных на участках с серыми лесными почвами, снижалось в ряду: клевер розовый > кукуруза сахарная > рапс > полевица собачья, мятлик луговой > вика посевная, овес посевной. Снижение накопления ¹³⁷Cs в сене, зеленой массе и соломе пшеницы из дерново-подзолистой почвы располагалось в ряду: клевер розовый > вика посевная, овес посевной > пшеница мягкая > полевица собачья, мятлик луговой > кукуруза сахарная; соответственно ⁹⁰Sr: клевер розовый > вика посевная, овес посевной > пшеница мягкая > кукуруза сахарная > полевица собачья, мятлик луговой.

Величины удельной активности ¹³⁷Cs и ⁹⁰Sr (в пересчете на абсолютно сухое вещество) по всем видам культур на обоих типах почв реперных участков полностью удовлетворяли ветеринарным требованиям к ограничению содержания ¹³⁷Cs и⁹⁰Sr в кормовых сеяных травах (зеленая масса) на уровне не более 370 и 50 Бк/кг, грубых кормах (сено) – не более 600 и 100 Бк/кг и фуражном зерне злаковых – 600 и 65 Бк/кг в сырой массе соответственно [26].

В зерне яровой пшеницы, выращенной на участках с дерново-подзолистыми почвами, как ¹³⁷Cs, так и ⁹⁰Sr накапливались в 1.09 и 1.11 раза меньше, соответственно, чем в соломе, что может указывать на наличие у растений защитных (барьерных) механизмов, которые препятствуют излишнему проникновению данных ИРН в генеративные органы.

Расчет коэффициентов перехода ¹³⁷Cs и ⁹⁰Sr (табл. 4) в сельскохозяйственные культуры из почв показал, что средние значения К_П⁹⁰Sr были больше средних величин К_П¹³⁷Cs, т.е. процесс перехода ⁹⁰Sr из обоих типов почв в растения всех видов протекал интенсивнее, чем переход ¹³⁷Cs.

При сравнении значений К_П¹³⁷Cs и ⁹⁰Sr для одних и тех же видов растений выяснилось, что ¹³⁷Cs и ⁹⁰Sr хуже переходят в растения однолетних трав из серой лесной почвы и растения кукурузы из дерново-подзолистой почвы и лучше переходят в растения клевера из серой лесной почвы и однолетних трав из дерново-подзолистой.

Сила корреляционной взаимосвязи между значениями удельной активности ¹³⁷Cs и ⁹⁰Sr в почвах и растениях изменялась в зависимости от типа почвы и вида сельскохозяйственных культур (табл. 4). В основном, между рассматриваемыми показателями отмечалась связь прямой зависимости, однако характер поступления ¹³⁷Cs и ⁹⁰Sr в растения клевера, пшеницы и злаковых трав (полевица, мятлик) на дерново-подзолистой почве отличался для указанных культур на серой лесной почве обратной зависимостью.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

По результатам проведенного радиационного обследования установлено, что средние значения удельных активностей ¹³⁷Cs и ⁹⁰Sr в серых лесных и дерново-подзолистых почвах реперных участков Владимирской области не превышали значений фона глобальных выпадений. Удельные активности ²²⁶Ra в обеих почвах, ²³²Th и ⁴⁰K в дерново-подзолистых почвах не превышали среднемировых и среднероссийских значений активности. Активность серых лесных почв по ⁴⁰K и ²³²Th была несколько выше среднемирового значения и типичного значения, характерного для данной почвы соответственно.

Усредненная удельная активность серых лесных почв по ¹³⁷Cs и ⁹⁰Sr была меньше, а по ²²⁶Ra, ²³²Th и ⁴⁰K – больше, чем у дерново-подзолистых почв.

Присутствие ¹³⁷Cs и ⁹⁰Sr в исследуемых почвах обусловлено, прежде всего, глобальными выпадениями ИРН на территории области, а содержание ЕРН определяется разным генезисом и антропогенной деятельностью.

Формируемое γ-излучение почв участков не превышает средних значений, характерных для почв сельскохозяйственных угодий России. Наибольший вклад в формирование γ-излучения почв отмечался со стороны ⁴⁰К, а наименьший – от ¹³⁷Cs, на обоих типах почв участков.

Плотность загрязнения ¹³⁷Cs и ⁹⁰Sr в пахотном горизонте исследованных почв была значительно ниже допустимых уровней относительно удовлетворительной экологической обстановки – 37 и 3.7 кБк/м² соответственно, что позволяет отнести почвы всех участков к незагрязненным территориям.

Существенная корреляционная взаимосвязь отмечалась между удельными активностями ²³²Th, ⁴⁰K и ²²⁶Ra с частицами фракции физической глины, а также содержанием обменных Ca и Mg и других поглощенных оснований в дерново-подзолистой почве и обменного Mg с ²³²Th в серой лесной почве. В остальных случаях достоверно отмеченной взаимосвязи между другими физико-химическими свойствами почв с удельными активностями изучаемых РН не обнаружено.

Характер распределения ¹³⁷Cs и ⁹⁰Sr, ²³²Th и ⁴⁰K в обеих исследуемых почвах участков имеет общую закономерность, как и между накоплением ²²⁶Ra и ²³²Th, ²²⁶Ra и ⁴⁰K в дерново-подзолистых почвах, на что указывают достоверные высокие коэффициенты корреляции.

Усредненное значение удельной активности в зеленой массе культурных растений по ¹³⁷Cs и по ⁹⁰Sr, выращенных на серых лесных почвах, снижалось в ряду: клевер > кукуруза > рапс > полевица, мятлик > вика, овес. Снижение накопления ¹³⁷Cs растениями в зеленой массе и соломе пшеницы из дерново-подзолистой почвы располагалось в ряду: клевер > вика, овес > пшеница > полевица, мятлик > кукуруза; соответственно ⁹⁰Sr: клевер > > вика, овес > пшеница > кукуруза > полевица, мятлик.

Величины удельной активности ¹³⁷Cs и ⁹⁰Sr по всем видам культур на почвах участков полностью удовлетворяли ветеринарным требованиям к ограничению содержания ¹³⁷Cs и⁹⁰Sr в растительной продукции.

Корреляционная взаимосвязь между значениями удельной активности ¹³⁷Cs и ⁹⁰Sr в почвах и растениях, в основном, определялась прямой зависимостью, но характер поступления ¹³⁷Cs и ⁹⁰Sr в растения клевера и пшеницы на дерново-подзолистой почве отличался обратной достоверной зависимостью.