Кинетическая модель поведения ¹³⁷Cs в системе "почва - растение", учитывающая агрохимические свойства почвы

По данным многолетнего радиоэкологического мониторинга загрязненных в результате аварии на ЧАЭС угодий Украины исследована динамика накопления ¹³⁷Cs растениями в широком диапазоне экологических условий. На основании современных представлений о трансформации форм радионуклида в почве создана кинетиче...

Ausführliche Beschreibung

Gespeichert in:

Bibliographische Detailangaben
Datum:	2011
Hauptverfasser:	Пристер, Б.С., Виноградская, В.Д.
Format:	Artikel
Sprache:	Russian
Veröffentlicht:	Інститут проблем безпеки атомних електростанцій НАН України 2011
Schriftenreihe:	Проблеми безпеки атомних електростанцій і Чорнобиля
Schlagworte:	Проблеми Чорнобиля
Online Zugang:	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/112907
Tags:	Tag hinzufügen Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Zitieren:	Кинетическая модель поведения ¹³⁷Cs в системе "почва - растение", учитывающая агрохимические свойства почвы / Б.С. Пристер, В.Д. Виноградская // Проблеми безпеки атомних електростанцій і Чорнобиля: наук.-техн. зб. — 2011. — Вип. 16. — С. 151–161. — Бібліогр.: 19 назв. — рос.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	irk-123456789-112907
record_format	dspace
spelling	irk-123456789-1129072017-01-30T03:03:18Z Кинетическая модель поведения ¹³⁷Cs в системе "почва - растение", учитывающая агрохимические свойства почвы Пристер, Б.С. Виноградская, В.Д. Проблеми Чорнобиля По данным многолетнего радиоэкологического мониторинга загрязненных в результате аварии на ЧАЭС угодий Украины исследована динамика накопления ¹³⁷Cs растениями в широком диапазоне экологических условий. На основании современных представлений о трансформации форм радионуклида в почве создана кинетическая модель поведения 13¹³⁷Cs 7Cs в системе «почва - растение», которая использует в качестве аргумента комплексную оценку агрохимических свойств почвы, рассчитанную по триаде - реакция почвенного раствора, содержание органического вещества и сумма поглощенных оснований. Установлена высокая точность разработанной модели и оценена возможность ее использования для других территорий. За даними багаторічного радіоекологічного моніторингу забруднених у результаті аварії на ЧАЕС угідь України досліджено динаміку накопичення ¹³⁷Cs рослинами в широкому діапазоні екологічних умов. На підставі сучасних уявлень про трансформацію форм радіонукліда в грунті створено кінетичну модель поведінки ¹³⁷Cs в системі «грунт – рослина», що використовує в якості аргументу комплексну оцінку агрохімічних властивостей грунту, розраховану за тріадою - реакція грунтового розчину, вміст органічної речовини та сума поглинених основ. Установлено високу точність розробленої моделі й оцінено можливість її використання для інших територій. From data of the long-term radiological monitoring contaminated after Chernobyl accident lands of Ukraine investigated the dynamics of ¹³⁷Cs accumulation by plants in a wide range of environmental conditions. On the basis of modern concepts about the transformation of radionuclides forms in the soil created kinetic model the ¹³⁷Cs behavior in the system "soil - plant", which uses as an argument to a complex estimation of agrochemical properties of soil, calculated according to the triad - the reaction of the soil solution, organic matter content and the amount of absorbed bases. Establish the high accuracy of the model and estimate the possibility of its use for other territories. 2011 Article Кинетическая модель поведения ¹³⁷Cs в системе "почва - растение", учитывающая агрохимические свойства почвы / Б.С. Пристер, В.Д. Виноградская // Проблеми безпеки атомних електростанцій і Чорнобиля: наук.-техн. зб. — 2011. — Вип. 16. — С. 151–161. — Бібліогр.: 19 назв. — рос. 1813-3584 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/112907 504.75.06 ru Проблеми безпеки атомних електростанцій і Чорнобиля Інститут проблем безпеки атомних електростанцій НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Russian
topic	Проблеми Чорнобиля Проблеми Чорнобиля
spellingShingle	Проблеми Чорнобиля Проблеми Чорнобиля Пристер, Б.С. Виноградская, В.Д. Кинетическая модель поведения ¹³⁷Cs в системе "почва - растение", учитывающая агрохимические свойства почвы Проблеми безпеки атомних електростанцій і Чорнобиля
description	По данным многолетнего радиоэкологического мониторинга загрязненных в результате аварии на ЧАЭС угодий Украины исследована динамика накопления ¹³⁷Cs растениями в широком диапазоне экологических условий. На основании современных представлений о трансформации форм радионуклида в почве создана кинетическая модель поведения 13¹³⁷Cs 7Cs в системе «почва - растение», которая использует в качестве аргумента комплексную оценку агрохимических свойств почвы, рассчитанную по триаде - реакция почвенного раствора, содержание органического вещества и сумма поглощенных оснований. Установлена высокая точность разработанной модели и оценена возможность ее использования для других территорий.
format	Article
author	Пристер, Б.С. Виноградская, В.Д.
author_facet	Пристер, Б.С. Виноградская, В.Д.
author_sort	Пристер, Б.С.
title	Кинетическая модель поведения ¹³⁷Cs в системе "почва - растение", учитывающая агрохимические свойства почвы
title_short	Кинетическая модель поведения ¹³⁷Cs в системе "почва - растение", учитывающая агрохимические свойства почвы
title_full	Кинетическая модель поведения ¹³⁷Cs в системе "почва - растение", учитывающая агрохимические свойства почвы
title_fullStr	Кинетическая модель поведения ¹³⁷Cs в системе "почва - растение", учитывающая агрохимические свойства почвы
title_full_unstemmed	Кинетическая модель поведения ¹³⁷Cs в системе "почва - растение", учитывающая агрохимические свойства почвы
title_sort	кинетическая модель поведения ¹³⁷cs в системе "почва - растение", учитывающая агрохимические свойства почвы
publisher	Інститут проблем безпеки атомних електростанцій НАН України
publishDate	2011
topic_facet	Проблеми Чорнобиля
url	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/112907
citation_txt	Кинетическая модель поведения ¹³⁷Cs в системе "почва - растение", учитывающая агрохимические свойства почвы / Б.С. Пристер, В.Д. Виноградская // Проблеми безпеки атомних електростанцій і Чорнобиля: наук.-техн. зб. — 2011. — Вип. 16. — С. 151–161. — Бібліогр.: 19 назв. — рос.
series	Проблеми безпеки атомних електростанцій і Чорнобиля
work_keys_str_mv	AT pristerbs kinetičeskaâmodelʹpovedeniâ137csvsistemepočvarastenieučityvaûŝaâagrohimičeskiesvojstvapočvy AT vinogradskaâvd kinetičeskaâmodelʹpovedeniâ137csvsistemepočvarastenieučityvaûŝaâagrohimičeskiesvojstvapočvy
first_indexed	2025-07-08T04:50:58Z
last_indexed	2025-07-08T04:50:58Z
_version_	1837052994794815488
fulltext	ПРОБЛЕМИ БЕЗПЕКИ АТОМНИХ ЕЛЕКТРОСТАНЦІЙ І ЧОРНОБИЛЯ ВИП. 16 2011 151 УДК 504.75.06 КИНЕТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ПОВЕДЕНИЯ 137Cs В СИСТЕМЕ «ПОЧВА - РАСТЕНИЕ», УЧИТЫВАЮЩАЯ АГРОХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПОЧВЫ © 2011 г. Б. С. Пристер, В. Д. Виноградская Институт проблем безопасности АЭС НАН Украины, Киев По данным многолетнего радиоэкологического мониторинга загрязненных в результате ава- рии на ЧАЭС угодий Украины исследована динамика накопления 137Cs растениями в широком диапа- зоне экологических условий. На основании современных представлений о трансформации форм ра- дионуклида в почве создана кинетическая модель поведения 137Cs в системе «почва - растение», ко- торая использует в качестве аргумента комплексную оценку агрохимических свойств почвы, рассчи- танную по триаде - реакция почвенного раствора, содержание органического вещества и сумма по- глощенных оснований. Установлена высокая точность разработанной модели и оценена возможность ее использования для других территорий. Ключевые слова: модель, 137Cs, радионуклид, сельскохозяйственная культура, тип почвы, аг- рохимические свойства почвы, коэффициент перехода, Sef. Введение Система поддержки принятия оперативных решений и планирования контрмер при аварийных выбросах АЭС и крупных радиационных авариях предусматривает использова- ние прогностических моделей миграции радионуклидов в наземных экосистемах, в том чис- ле в системе «почва - растение». Применяемые до аварии на ЧАЭС модели миграции не учи- тывали влияния процессов преобразований форм радионуклидов в почве на накопление их фитомассой растений [1 - 3]. В качестве основных процессов, определяющих динамику со- держания нуклидов в почве, рассматривали вынос радионуклида за пределы корнеобита- емого слоя в результате вертикальной миграции, выноса с урожаем и радиоактивного распа- да [4, 5]. В настоящей работе построена кинетическая модель поведения радиоцезия в систе- ме «почва - растение» и на основании экспериментальных данных многолетнего радиоэколо- гического мониторинга радиоактивно загрязненных после аварии на ЧАЭС территорий (1987 - 2009 гг.) определены численные значения ее параметров. Материалы и методы исследований Сеть мониторинга (рис. 1) позволила охватить широкий диапазон почвенных, биоло- гических и климатических условий, непосредственно влияющих на переход радионуклидов из почвы в растения, что расширяет пространственные интервалы применения модели. Ис- следования проводили в 33 хозяйствах 4-х наиболее загрязненных после аварии на ЧАЭС областей Украины. Плотность загрязнения почвы 137Cs варьировала в широких пределах: от 100 до 3000 кБк⋅м-2 на год выпадений. Почвы представлены четырьмя типами, характерными для Полесья и Лесостепи Украины: торфяно-болотными, дерново-подзолистыми, серыми лесными и черноземами, внутри каждого выделены от 3 до 15 почвенных разностей. Такой диапазон почв позволил исследовать зависимость между коэффициентом перехода радионуклида в растения и свой- ствами почвы. Изучено 16 видов сельскохозяйственных культур разных семейств и видов, которые представляют практически все компоненты рационов животных и человека и их употребление обусловливает поступление основной части радионуклидов в организм. Способность растений накапливать радионуклид оценивали величиной агрегатиро- ванного коэффициента перехода – TF (transfer factor), который является отношением удель- ной активности радионуклида в растении к плотности загрязнения почвы. Пробы каждого вида культур и почвы отбирали в фазе продуктивной спелости расте- ний. При отборе образцов особое внимание уделяли обеспечению сопряженности и репре- Б. С. ПРИСТЕР, В. Д. ВИНОГРАДСКАЯ ________________________________________________________________________________________________________________________ ПРОБЛЕМИ БЕЗПЕКИ АТОМНИХ ЕЛЕКТРОСТАНЦІЙ І ЧОРНОБИЛЯ ВИП. 16 2011 152 зентативности. Сопряженность достигали путем пространственного совмещения мест отбора проб растений и почвы. Репрезентативность средней пробы обеспечивали за счет отбора до- статочного количества индивидуальных образцов – 25 (по пять образцов методом конверта на краях и пересечении диагоналей поля). Методики отбора проб почвы и растений, а также их спектрометрического и агрохимического анализов точно выдерживали на протяжении всех лет проведения эксперимента [6]. База экспериментальных данных (БД) радиационного мониторинга включает больше 3,5 тыс. пар "почва - растение" и представляет собой массив сопоставимых и представительных данных о радиоактивном загрязнении почвы и растений. Рис. 1. Схема сети многолетнего радиоэкологического мониторинга (звездочками отмечены точки мониторинга). Экспериментальные данные перед занесением в БД предварительно обрабатывали по специально разработанному многоступенчатому алгоритму. Первоначально были сформиро- ваны выборки «почва – растение – год». Далее оценивали достоверность результатов изме- рения удельной активности почв и растений с учетом количества зарегистрированных им- пульсов, фона установки и т.п. Затем проводили “ экспертную оценку” данных по степени соответствия агрохимических и радиологических показателей почвы классификационному названию, основанному на ее генезисе. Следующим шагом было отсеивание или выбраковка данных по критерию Стьюдента (р = 0,05). Последним шагом была проверка гипотезы о ли- нейной зависимости удельной активности радионуклида в растении от плотности загрязне- ния почвы. Подтверждение линейной зависимости служит критериями идентичности поч- венных условий в точках с различной плотностью загрязнения и правильности отнесения конкретного значения TF к определенной почвенной выборке. Использование разработанно- го алгоритма обработки экспериментальных данных позволяет в дальнейшем распространить модель на более широкий диапазон почвенных условий и биологических факторов. Результаты и обсуждение Исследование динамики TF 137Cs из почвы в растения. Для исследования зависи- мости коэффициента перехода 137Cs из почвы в растения от времени после выпадений ис- пользовано 48 временных рядов пар «почва (4 типа) – растение (16 культур)». Анализ дина- мики TF 137Cs позволил описать ее в виде двухэкспоненциального уравнения КИНЕТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ПОВЕДЕНИЯ 137Cs ________________________________________________________________________________________________________________________ ПРОБЛЕМИ БЕЗПЕКИ АТОМНИХ ЕЛЕКТРОСТАНЦІЙ І ЧОРНОБИЛЯ ВИП. 16 2011 153       ⋅−⋅+⋅−⋅⋅= ) T t693.0 exp(a) T t693.0 exp(a)0(TF)t(TF s e s 0q e q 0 , (1) где TF(0) – экстраполированный на 1986 г. (год выпадений) коэффициент перехода; a0 q, a0 s = 1 - a0 q - доли первоначального содержания нуклида в почве с периодами полууменьшения Te q и Te s (обменная и фиксированная формы). Экстраполированный на 1986 г. коэффициент перехода TF(0) отображает биологиче- ские особенности растений по усвоению радионуклида из почвы одного типа. Значения TF(0) для конкретного вида растений на различных типах почвы были протабулированы и представлены в более ранних работах авторов [6]. Выражение в фигурных скобках описыва- ет процессы трансформации радионуклида в почве. Анализ значений долей быстрого и медленного процессов уменьшения коэффициента перехода a0 q и a0 s и их периодов полууменьшения Te q и Te s показало, что они близки для раз- личных видов растений на почве одного типа. Это означает, что биологические особенности растений не влияют на процессы трансформации форм радионуклида в почве и параметры уравнения (1) в фигурных скобках были усреднены по всем видам культур для каждого типа почвы [6, 7]. Сравнение величин a0 q, a0 s, Te q и Te s для различных типов почв между собой, а также с аналогичными параметрами, оцененными другими исследователями [8, 9], позволило описать схему преобразования форм радионуклида в почве. Кинетическая модель поведения 137Cs в системе «почва - растение». Процессы преобразования форм радионуклида во времени, влияющие на изменение коэффициента пе- рехода его в растения, включают различные по природе механизмы сорбции радионуклида почвенно-поглощающим комплексом: ионный обмен между водорастворимыми и ионооб- менными формами, сорбция, десорбция, фиксация почвенными минералами. Концептуаль- ная схема модели накопления радионуклида растениями из почвы представлена на рис. 2. Рис. 2. Концептуальная схема модели поведения 137Cs в системе «почва - растение»: CR, CF, CH, СW – концентрации радиоцезия на местах ионообменной сорбции RES, селективной FES, высокоселективной HAS и водорастворимой WS. Временные границы использования модели определены от момента радиоактивных выпадений t0 = 0 до распада радионуклида. Параметры модели могут быть использованы для почв с агрохимическими свойствами: рН < 7, содержание органического вещества < 6% и сумма поглощенных оснований < 40 мг-экв/100 г почвы. Модель учитывает разовое поступление 137Cs в почву в водорастворимой форме (например, конденсационные выпадения аварийного выброса на ЧАЭС). Если радионуклид попадает в почву в нерастворимой форме (оплавленные силикатные частицы ядерных взры- вов, топливные частицы), модель должна быть дополнена блоком, учитывающим высвобож- дение радионуклида в водорастворимую форму [10]. Модель не учитывает вынос радиоцезия из блока «почва» за счет горизонтальной (< 1 % в год), вертикальной миграции (период по- луочищения корнеобитаемого слоя Тэф ≈ 25 лет) [6] в связи с низкой скоростью этих процес- сов по сравнению с иммобилизацией 137Cs (Te q < 2 лет). Накопление радионуклида растением начинается сорбцией из почвенного раствора на поверхности корня. Модель учитывает толь- ко внутрипочвенные процессы перераспределения 137Cs. Б. С. ПРИСТЕР, В. Д. ВИНОГРАДСКАЯ ________________________________________________________________________________________________________________________ ПРОБЛЕМИ БЕЗПЕКИ АТОМНИХ ЕЛЕКТРОСТАНЦІЙ І ЧОРНОБИЛЯ ВИП. 16 2011 154 Почвенный блок модели. Основным процессом, определяющим динамику накопления радиоцезия растениями после попадания его в почву, является распределение радионуклида между жидкой (почвенный раствор - WS) и твердой (почвенно-поглощающий комплекс - ППК) фазами почвы (рис. 3). Места сорбции Cs+ на ППК сгруппированы в три основные группы [8]: универсальные (неспецифичные) обменные по отношению к большинству ионов - RES (Regular Exchange Sites); специфичные по отношению к ионам NH4 +, Cs+ и др., находятся в устьевых зонах гли- нистых минералов - FES (Frayed Edge Sites); высокоспецифичные, локализованные во внутрипакетных пространствах глинистых минералов - HAS (High Affinity Sites). Рис. 3. Схематическое представление основных процессов поглощения ионов 137Cs. Распределение начинается с установления сорбционного равновесия ионов радио- нуклида в системе "почвенный раствор WS – ионообменные места RES". Время его установ- ления принимается равным нулю tр = 0 [11], так как переходные процессы занимают малый отрезок времени по сравнению с вегетационным периодом растений. Доля обменного радио- нуклида на местах RES в момент времени t = 0 определяется составом почвенного раствора. Далее при t > 0 обменные ионы Cs+ сорбируются на селективно обменных местах FES [12, 13] со скоростью k1. Ионы Cs+ прочно сорбированы на FES, однако со временем они частич- но десорбируются, переходя в обменное состояние RES со скоростью десорбции k3 [8]. Под действием электростатических сил ион Cs+ теряет гидратную оболочку. Это позволяет в дальнейшем селективно сорбированному на FES радиоцезию мигрировать на места высоко- селективной сорбции HAS со скоростью k2. При заглублении дегидратированного иона цезия в межпакетные пространства устьевые зоны кристаллической решетки минерала схлопыва- ются и выход (десорбция) его с этих сайтов становится практически невозможным [8, 14]. Радионуклид усваивается растениями непосредственно из почвенного раствора и его концентрация в растении пропорциональна количеству водорастворимой (доступной) формы радионуклида WS в почве [6, 15], динамика которой определяется процессами перераспреде- ления радионуклида между местами сорбции RES, FES и HAS. Растительный блок модели. Метаболические процессы переноса радионуклида по различным органам растения не формализуются, так как они недостаточно изучены и коли- чественно не описаны. Так как формирование репродуктивного органа является видовой функцией растения и максимально стабилизировано на генетическом уровне, то в модели используется значение TF, которое определяется для растений в момент продуктивной спе- лости и является интегральным по всем физиологическим процессам показателем. КИНЕТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ПОВЕДЕНИЯ 137Cs ________________________________________________________________________________________________________________________ ПРОБЛЕМИ БЕЗПЕКИ АТОМНИХ ЕЛЕКТРОСТАНЦІЙ І ЧОРНОБИЛЯ ВИП. 16 2011 155 Математическая идентификация и реализация модели. Процесс трансформации форм радионуклида в почве записан в виде системы дифференциальных уравнений ; , ; 2 231 31          ⋅= ⋅−⋅−⋅= ⋅+⋅−= F H FFR F FR R Ck dt dC CkCkCk dt dC CkCk dt dC 2) Полагается, что в начальный момент времени t = 0: концентрация Cs+ на местах RES CR равна начальной концентрации C0 (концентрация выпадений) CR = C0, а на местах FES и HAS равна нулю СF = 0, CH = 0; изменения концентрации Cs+ на всех местах сорбции равны нулю 0,0,0 === dt dC dt dC dt dC HFR . Аналитическое решение системы дифференциальных уравнений (2) имеет вид           ⋅ − + +⋅ − +− ⋅= ⋅+−⋅+− t) 2 k k( 21 3 2t) 2 k k( 21 3 21 3 2 3 1 e kk 2 k k e kk ) 2 k k2(k )0(TF)t(TF 3) Значения параметров уравнения (3) для дерново-подзолистой почвы в сельскохозяй- ственные культуры приведены в табл. 1. Таблица 1. Средние для групп культур значения параметров модели для дерново-подзолистой почвы в (δδδδ ≤≤≤≤ ± 25%) Группа культур TF(0), кг-1⋅м2 Скорости процессов сорбции, год-1 k1 k2 k3 Естественные травы 29 0,35 0,0031 0,032 Сеянные злаковые травы 5,8 0,34 0,0025 0,036 Кормовые травы клевер, люцерна, кукуруза 3,8 0,33 0,0022 0,041 Овощные капуста, томат, огурец 2,9 0,35 0,0023 0,037 Клубни, корнеплоды лук, свекла, картофель 1,6 0,33 0,0029 0,037 Зерновые озимая пшеница, ячмень, рожь 0,89 0,34 0,0028 0,039 Среднее для всех культур - 0,34 0,0026 0,038 Кратность различий 38 1,2 1,7 1,5 Различия значений скоростей сорбции и десорбции ионов Cs+ на каждом из типов почвы, полученных с использованием экспериментальных данных о динамике TF для всех видов культур, не превышают двух раз. Таким образом, динамика TF отражает физико- химические процессы преобразования форм радионуклидов в почве, а биологические осо- бенности растений обусловливают различия в абсолютных значениях TF радионуклида изу- ченными культурами. Это позволяет усреднить значения скоростей трансформации форм ра- диоцезия k1, k2, и k3 для каждой из групп почв по всем видам культур (табл. 2). Абсолютные значения скоростей сорбции и десорбции на сайтах различной природы значительно отличаются для всех типов почв. Наибольшей скоростью характеризуется пере- ход ионов радиоцезия с легко обменных мест RES на места селективной сорбции FES (k1). Б. С. ПРИСТЕР, В. Д. ВИНОГРАДСКАЯ ________________________________________________________________________________________________________________________ ПРОБЛЕМИ БЕЗПЕКИ АТОМНИХ ЕЛЕКТРОСТАНЦІЙ І ЧОРНОБИЛЯ ВИП. 16 2011 156 Скорость k1 на торфяно-болотной почве в 2,2 раза выше, чем на минеральных почвах. Не- большие различия значений k1 для различных минеральных почв свидетельствуют о незна- чительных отличиях прочности связи иона цезия на местах RES в каждой из них. Скорость селективной сорбции Cs+ на FES k1 больше на порядок скорости десорбции k3 и на два по- рядка – скорости высокоселективной сорбции k2. Причем наибольшие различия между k1 и k2, k3 наблюдаются на черноземе (около 400 и 90 раз соответственно) и уменьшаются до торфяно-болотной почвы (40 и 9 раз). Это свидетельствует о том, что прочность удержива- ния ионов цезия на местах FES на черноземе больше, чем на серой лесной почве в два раза, на дерново-подзолистой – 3 - 4 раза, а на торфяно-болотной – 4 - 5 раз. Таблица 2. Средние значения скоростей сорбции и десорбции ионов 137Cs на различных сорбционных местах почвы, год-1 (δδδδ ≤≤≤≤ ± 25%) Тип почвы k1 k3 k2 Торфяно-болотная 0,76 0,082 0,0085 Дерново-подзолистая 0,34 0,038 0,0026 Серая лесная 0,38 0,026 0,0017 Чернозем 0,48 0,013 0,0011 Скорости десорбции ионов радионуклида с мест FES на RES k3 и фиксации на HAS k2 наибольшие на торфяно-болотной почве, и уменьшаются в 6 - 7 раз в ряду минеральных почв до чернозема. Различия между значениями k3 и k2 близки (10 - 15 раз) для всех типов почв, что свидетельствует об общем механизме проникновения иона цезия в межпакетные про- странства глинистых минералов, независимо от того, в какой почве находится этот минерал. Это объясняется тем, что влияние различий в составе почвенного раствора на участке кри- сталлической решетки между местами FES и HAS практически не может проявиться (см. рис. 3). Величины экстраполированных на нулевой момент времени коэффициентов перехода радиоцезия, характеризующих биологические особенности растений, значительно отличают- ся для различных типов почв (табл. 3). Таблица 3. Значения усредненных по группам культур экстраполированных на момент выпадения коэффициентов перехода TF(0) 137Cs, кг-1⋅⋅⋅⋅м2 (δδδδ ≤≤≤≤ ± 25%) Группа культур Тип почвы Торфяно- болотная Дерново- подзолистая Серая лесная Чернозем Естественные травы 223 29 10 - Сеянные злаковые травы 95 5,8 4,9 3,3 Кормовые травы клевер, люцерна, кукуруза 39 3,8 1,9 1,7 Овощные капуста, томат, огурец - 2,9 2,0 1,2 Клубни, корнеплоды лук, свекла, картофель 10 1,6 0,63 0,60 Зерновые озимая пшеница, ячмень, рожь 7,3 0,89 0,66 0,36 Кратность различий 31 38 20 16 Так, на почве одного типа естественные травы накапливают радиоцезий в 2 - 5 раз больше, чем сеянные злаковые травы, в 8 - 10 раз больше, чем сочные корма и овощные культуры, в 15 – 25 раз больше, чем клубни и корнеплоды, в 20 – 40 раз больше, чем зерно- вые. Эти различия отражают биологические свойства растений: различные требования куль- КИНЕТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ПОВЕДЕНИЯ 137Cs ________________________________________________________________________________________________________________________ ПРОБЛЕМИ БЕЗПЕКИ АТОМНИХ ЕЛЕКТРОСТАНЦІЙ І ЧОРНОБИЛЯ ВИП. 16 2011 157 тур к концентрации питательных веществ в почве, отличия в физиологических процессах накопления питательных веществ и радионуклидов в органах растений и т.д. Для всех видов культур TF(0) принимают максимальные значения на торфяно-болотной почве и далее уменьшаются в ряду минеральных почв: на дерново-подзолистой в 7 - 15 раз, на серой лес- ной – 10 - 20 раз, на черноземе – 15 - 30 раз. Это позволяет предположить, что растения по способности накапливать радиоцезий по-разному реагируют на изменение почвенных свойств. Прогноз загрязнения урожая сельскохозяйственных культур при указании названия типа почвы может быть сделан по уравнению (3) с использованием табулированных для изу- ченных почв значений параметров, приведенных в табл. 2 и 3. Аналитическое описание процесса перехода 137Cs из почвы в растения с учетом агрохимических свойств почвы. Качественное классификационное группирование почв приводит к очень большим неопределенностям прогнозов загрязнения растений. Существу- ющие модели [16] не позволяют количественно описать влияние свойств почвы на величину TF. Установлены зависимости TF 137Cs от отдельных показателей почвы [17], использование которых возможно только в очень узком диапазоне свойств почвы. Авторами был разработан и запатентован метод комплексной оценки свойств почвы (КОСП) [18]. КОСП основана на представлении почвы в виде трехфазной системы, основными характеристиками которой яв- ляются рН почвенного раствора (жидкая фаза), содержание органического вещества (ОВ) и сумма поглощенных оснований (СПО) или содержание обменного калия (K2O), характери- зующие твердую фазу почвы. КОСП определяется графически как площадь сечения трех- мерного пространства Sef – треугольника, вершины которого лежат на осях рН, ОВ, СПО [18, 19]. Так как свойства почвы имеют разную размерность, их значения нормированы на верхние значения для ряда изучаемых почв: рН = 7, ОВ = 6 % и СПО = 40 мг-экв/100 г поч- вы. Площадь сечения Sef определяется по формуле полупериметра треугольника (рН, ОВ и СПО) для конкретного типа почвы. Установлено, что существует зависимость экстраполированного коэффициента пере- хода радиоцезия в растение из почвы от комплексной оценки ее свойств Sef: Sefλe0) TF(0,0) TF(Sef, ⋅−⋅= , 4) где TF(0, 0) – экстраполированный на t = 0 коэффициент перехода 137Cs в растение из почвы c Sef ⇒ 0; λ – реакция растения на изменение свойств почвы. Сравнительная оценка значений скоростей сорбционных процессов со свойствами почвы показала, что k1, k2, k3 также зависят от комплексной оценки свойств почвы Sef и эта зависимость может иметь линейный характер. Тогда кинетическая модель поведения 137Cs в системе «почва (Sef) - растение» принимает математический вид: { }t)Sef1(st)Sef1(qSef e))Sefln(f(e))Sefln(f1(e)0,0(TF)t,Sef(TF ⋅−⋅−⋅+⋅−⋅λ− ⋅⋅−+⋅⋅+⋅= , (5) где f – доля Cs+ на ионно-обменных местах в почве с Sef⇒0 при t = 0; q, s - скорости умень- шения количества ионов радионуклидов в доступной для растений форме, как интегральные параметры процессов: q - селективной сорбции и десорбции Cs+ со скоростями k1 и k3, s - се- лективной и высокоселективной сорбции со скоростями k1 и k2 (табл. 4). Различия значений f, q и s для всех видов культур не больше 2,3 раз, что свидетель- ствует о том, что они не зависят ни от типа почвы, ни от биологических особенностей расте- ний. Величина экстраполированного на момент выпадений коэффициента перехода в расте- ния из почвы c Sef ⇒ 0 TF(0, 0) уменьшается в ряду культур для 137Cs от естественных трав к зерновым в 61 раз. Значения реакции растений на изменение свойств почвы λ различаются для всех культур в 4,3 раза. Б. С. ПРИСТЕР, В. Д. ВИНОГРАДСКАЯ ________________________________________________________________________________________________________________________ ПРОБЛЕМИ БЕЗПЕКИ АТОМНИХ ЕЛЕКТРОСТАНЦІЙ І ЧОРНОБИЛЯ ВИП. 16 2011 158 Графически зависимость коэффициента перехода 137Cs от свойств почвы и времени после выпадений представлена в трехмерном пространстве с осями TF, Sef и t (рис. 4). Таблица 4. Значения параметров кинетической модели перехода радионуклидов из почвы в сельскохозяйственные культуры, учитывающей свойства почвы Культура Часть растения 137Cs TF(0, 0) λ f q s Естественные травы сено 55 6,1 0,030 0,32 0,072 Сеяные травы 7,2 2,2 0,032 0,30 0,067 Клевер зеленая масса 9,2 5,6 0,033 0,29 0,043 Люцерна 6,2 3,3 0,032 0,31 0,051 Кукуруза 4,2 4,2 0,029 0,34 0,054 Капуста кочан 4,5 3,0 0,032 0,32 0,071 Томаты плоды 4,0 4,9 0,026 0,33 0,087 Огурец 2,7 1,9 0,030 0,36 0,065 Лук луковица 2,9 3,9 0,031 0,29 0,049 Свекла корнеплод 2,2 2,6 0,033 0,28 0,049 Картофель клубни 2,0 5,3 0,032 0,33 0,040 Озимая пшеница зерно 1,7 6,8 0,029 0,31 0,043 Ячмень 1,0 1,6 0,030 0,32 0,046 Рожь 0,90 2,2 0,032 0,26 0,038 Кратность различий 61 4,3 1,3 1,4 2,3 Среднее значение 0,031 0,31 0,055 Рис. 4. Зависимость значения TF 137Cs от комплексной оценки свойств почвы и времени после выпадений для сена сеянных трав (а) и клубней картофеля (б). Диагностическая проверка и оценка качества модели. Оценка адекватности моде- ли в отображении реальных данных по пяти основным статистическим критериям диагно- стики подтвердила полную адекватность разработанной модели и высокий уровень значимо- сти ее параметров. Применение формальных статистик проверки качества прогноза показало почти идеальную корреляцию прогнозных и реальных рядов между собой, установлено, что точность модели не ниже 30 % в 80 % случаев. КИНЕТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ПОВЕДЕНИЯ 137Cs ________________________________________________________________________________________________________________________ ПРОБЛЕМИ БЕЗПЕКИ АТОМНИХ ЕЛЕКТРОСТАНЦІЙ І ЧОРНОБИЛЯ ВИП. 16 2011 159 Анализ чувствительности модели установил чувствительность результата расчета к входным данным. Существуют объективные причины такой чувствительности, среди кото- рых: тип почвы или вид растений не отвечают классификационному названию, не учтено, что на территории с конкретным типом почвы проводились контрмеры, вследствие чего бы- ли изменены свойства почвы и т.д. В связи с этим разработаны основные «Требования к входной информации, которая используется в модели поведения радионуклидов цезия в си- стеме «почва – растение». Верификация модели миграции 137Cs из почвы в растения по экспериментальным данным, полученным в отдаленный период после аварии на ЧАЭС на территории Украины в точках мониторинга (2006 - 2008 г.), показала, что точность расчетов по разработанной мо- дели концентрации радионуклида в растениях лежит в пределах 30 % для 80 % выборок «почва - растение». Для оценки возможности использования модели для других территорий использо- вана БД франко-германской инициативы (FGI) 3а (2001 г.), которая содержит более 6 тыс. пар «почва - растение», полученных по данным мониторинга агросферы на радиоактивно за- грязненных территориях Беларуси, России и Украины. Данные БД FGI 3а были предвари- тельно обработаны по алгоритму статистической обработки, предложенному при разработке модели. Данным, для которых агрохимические свойства почвы не укладывались в интер- вальные значения ее классификационного названия, присваивали низкие значения «эксперт- ной оценки». Результат расчета коэффициента перехода 137Cs из почвы в растения с использовани- ем параметров, табулированных для типа почвы и вида растений, имеет точность до 35 % в случаях, когда свойства почвы соответствуют классификационному названию. В точках с низкими значениями «экспертной оценки» различия между расчетными и эксперименталь- ными значениями TF достигали 2 - 4 раз. Наиболее вероятной причиной несоответствий аг- рохимических свойств почвы ее классификационному названию и прогнозного значения TF реальному, может быть проведение контрмер. В этом случае использование названия гене- тического типа почвы для целей прогнозирования невозможно. Точность прогнозирования с использованием параметров, табулированных только для вида растений и учитывающего значения агрохимических свойств почвы в виде Sef (см. рис. 4) намного выше. Для всех пар «почва - растение», даже в случае несоответствия агрохими- ческих показателей классификационному названию почвы, относительное отклонение мо- дельных значений TF 137Cs от экспериментальных не превышает 40 %. Таким образом, для точного прогнозирования загрязнения растительности радио- нуклидами следует применять модель поведения радионуклида в системе «почва - растение», которая учитывает комплексную оценку свойств почвы Sef. В случае отсутствия значений агрохимических свойств почвы можно использовать модель, параметризованную для типов почв. При этом следует учитывать, что результат прогнозирования будет «верхней» оценкой, а реальная величина загрязнения растений может быть ниже в 2 – 4 раза. Такая оценка доста- точна для принятия решений в случае непревышения допустимых уровней содержания ради- онуклида в сельскохозяйственной продукции. В случае достижения или превышения «верх- ней» оценкой допустимых уровней необходимо провести дополнительное агрохимическое обследование почвы с целью уточнения прогнозного загрязнения растений. В среде визуального программирования Delphi 6 созданы программные коды для про- гнозирования концентрации радионуклидов в растениях в случае радиоактивных выбросов ядерных объектов с использованием кинетической модели поведения 137Cs в системе «почва - растение». СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ Б. С. ПРИСТЕР, В. Д. ВИНОГРАДСКАЯ ________________________________________________________________________________________________________________________ ПРОБЛЕМИ БЕЗПЕКИ АТОМНИХ ЕЛЕКТРОСТАНЦІЙ І ЧОРНОБИЛЯ ВИП. 16 2011 160 1. Calculation of Annual Doses to man from Routine Releases of reactor Effluents for the Porpoise of Evaluating Compliance with 10 CFR // Nuclear Regularity commission, Regulatory Guide. - Oct. 1977, Part 50, Appendix 1, Rev.1. – P. 1 - 109. 2. Moore R.E. et al. A Methodology for Estimating Environmental Concentrations and dose to man from Airborn releases of Radionuclides US DOE // Report ORNI-5532. - Oak Ridge National Laboratory NTIS, June 1979. – 89 p. 3. Generic Models and Parameters for Assessing the Environmental transfer of Radionuclides from Routine Releases. Exposures of Critical Groups // International Atomic Energy, Safety Series. – 1982, No. 57. 4. Koch J., Tadmor J. A Dynamic model for Radioactivity transfer through the human food chain // Health Physics. – 1986. - Vol. 50, No. 6. - P. 721 - 737. 5. Müller H. and Pröhl G. A Dynamic Model for Assessing Radiological Consequences of Nuclear Accident // Health Physics. – 1988. - Vol. 64, No. 3. - P. 232 - 252. 6. Prister B.S., Baryakhtar V.G., Perepelyatnikova L.V. etc. Experimental Substantiation and Parameter- ization of the Model Describing 137Cs and 90Sr Behavior in a Soil-Plant System. // Environmental Science and Pollution Research. - 2003. - Special Issue No. 1. - P. 126 - 136. 7. Пристер Б.С. Проблемы прогнозирования поведения радионуклидов в системе почва – растение // Р. Г. Ильязов, В. Ф. Шакиров, Б.С. Пристер и др. Адаптация агроэкосферы к условиям техно- генеза. – Казань: ФЭН. - 2006. – C. 78 - 125. 8. Коноплев А.В., Коноплева И.В. Параметризация перехода 137Cs из почвы в растения на основе ключевых почвенных характеристик // Радиац. биология. Радиоэкология. – 1999. - Т. 39, № 4. - С. 455 - 461. 9. Fesenko S.V., Spiridonov S.V., Sanzharova N.I., Alexakhin R.M. Dynamics of Bioavailability in a Soil- Plant System in Areas of the Chernobyl Nuclear Power Plant Accident Zone with a Different Physico- chemical Composition of Radioactive Fallout // J. Environ. Radioactivity. – 1997. - Vol. 34, No. 3. - P. 287 - 313. 10. Кашпаров В.А. Оценка и прогнозирование радиоэкологической обстановки при радиационных авариях с выбросом частиц облученного ядерного топлива // Автореф. дис. … д-ра биол. наук. - Обнинск, 2000. - 48 с. 11. Клечковский В.М., Целищева Г.Н. О поведении радиоактивных продуктов деления в почвах, их поступлении в растения и накоплении в урожае. - М.: Изд-во АН СССР. - 1956. - С. 3 - 74. 12. De Preter P. Radiocaesium retention in aquatic, terrestrial and Urban environment: a quantitive and unifying analysis // Ph. D. Thesis. K. V. Leuven. - Belgium, 1990. – P. 93. 13. Madruga M.J. Adsorption-desorption behaviour of radiocaesium and radiostrontium in sediments // Ph. D. Thesis. K. V. Leuven. - Belgium, 1993. – P. 121. 14. Brouwer E., Baeyens B., Maes A., Cremers A. Caesium and rubidium ion equilibria in illite clay // J. Phys. Chem. - 1983. - No. 87. - P. 1213 - 1219. 15. Prister B., Howard B., Vinogradskaya V. Regularities of Chernobyl 137Cs and 90Sr behaviour in soil- plant system. // International congress on the radioecology of continental and estuarine environments. - Aix-en-Provence-France, 3 - 7 Sept., 2001. - P2T11 (575). 16. International Atomic Energy Agency. Testing of environmental transfer models using Chernobyl fallout data from the Input River catchments area, Bryansk Region, Russian Federation // Report of the Dose Reconstruction Working Group of BIOMASS Theme 2. – April 2003. – 332 p. 17. Пристер Б.С., Перепелятникова Л.В., Дугинов В.И., Хомутинин Ю.В. Основные факторы, опре- деляющие поведение радионуклидов в системе почва - растение // Проблемы с.-х. радиологии: Сб. науч. тр. – К., 1992. – С. 108 – 116. 18. Пристер Б.С. Количественная комплексная оценка свойств почвы при прогнозировании поведе- ния радионуклидов в системе почва – растение // Вісник аграрної науки. – 2002. - № 1. – С. 61 – 68. 19. Пристер Б.С., Бизольд Г., Девиль-Кавелин Ж. Способ комплексной оценки свойств почвы для прогнозирования накопления радионуклидов растениями // Рад. биология. Радиоэкология. – 2003. – Т. 43, № 6. – С. 39 – 42. КІНЕТИЧНА МОДЕЛЬ ПОВЕДІНКИ 137Cs В СИСТЕМІ «ГРУНТ - РОСЛИНА», ЩО ВРАХОВУЄ АГРОХІМІЧНІ ВЛАСТИВОСТІ ГРУНТУ КИНЕТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ПОВЕДЕНИЯ 137Cs ________________________________________________________________________________________________________________________ ПРОБЛЕМИ БЕЗПЕКИ АТОМНИХ ЕЛЕКТРОСТАНЦІЙ І ЧОРНОБИЛЯ ВИП. 16 2011 161 Б. С. Прістер, В. Д. Виноградська За даними багаторічного радіоекологічного моніторингу забруднених у результаті аварії на ЧАЕС угідь України досліджено динаміку накопичення 137Cs рослинами в широкому діапазоні еколо- гічних умов. На підставі сучасних уявлень про трансформацію форм радіонукліда в грунті створено кінетичну модель поведінки 137Cs в системі «грунт – рослина», що використовує в якості аргументу комплексну оцінку агрохімічних властивостей грунту, розраховану за тріадою - реакція грунтового розчину, вміст органічної речовини та сума поглинених основ. Установлено високу точність розроб- леної моделі й оцінено можливість її використання для інших територій. Ключові слова: модель, 137Cs, радіонуклід, сільськогосподарська культура, тип грунту, агрохі- мічні властивості грунту, коефіцієнт переходу, Sef. THE KINETIC MODEL OF 137Cs BEHAVIOR IN THE SYSTEM «SOIL - PLANT» ACCOUNTING OF AGROCHEMICAL SOIL PROPERTIES B. S. Prister, V. D. Vinogradskaja From data of the long-term radiological monitoring contaminated after Chernobyl accident lands of Ukraine investigated the dynamics of 137Cs accumulation by plants in a wide range of environmental condi- tions. On the basis of modern concepts about the transformation of radionuclides forms in the soil created kinetic model the 137Cs behavior in the system "soil - plant", which uses as an argument to a complex estima- tion of agrochemical properties of soil, calculated according to the triad - the reaction of the soil solution, organic matter content and the amount of absorbed bases. Establish the high accuracy of the model and esti- mate the possibility of its use for other territories. Keywords: model, 137Cs, radionuclide, agricultural production, soil type, soil agrochemical proper- ties, transfer factor, Sef. Поступила в редакцию 15.02.11

Кинетическая модель поведения ¹³⁷Cs в системе "почва - растение", учитывающая агрохимические свойства почвы

Institution

Ähnliche Einträge