Ємність катіонного обміну і вміст обмінних катіонів. Ємність катіонного обміну характеризує здатність ґрунту сорбувати катіони. Радіонукліди, сорбовані в ґрунті за обмінним типом, є найбільш доступними для рослин. Міцність сорбції радіонуклідів у ґрунті тим вища, чим більша ємність катіонного обміну. Поряд з обмінним поглинанням радіонуклідів ґрунтом існує необмінне поглинання - фіксація.
Ємність катіонного обміну і сума обмінних катіонів у ґрунті змінюються в залежності від реакції середовища, складу органічних і мінеральних компонентів і природи ґрунтових мінералів. Збільшення лужності ґрунтів сприяє зростанню їх ємності поглинання. Унаслідок високої поглинальної здатності гумусових кислот (до 400-930 мг екв/100 г), а також монтморілоніту (70-175 мг екв/100 г) ґрунту, що містять велику кількість органічної речовини і мінералів, відрізняються найбільшою ємністю поглинання (чорноземи, чорноземно-лугові ґрунти). Ці ґрунти характеризуються найбільш високою сорбцією радіонуклідів і мінімальною їх біологічною рухливістю.
Механічний склад ґрунтів. Сорбційна здатність ґрунтів істотно зростає зі збільшенням ступеня дисперсності ґрунтових часток дрібнодисперсних фракції мають більш високу поглинальну здатність у порівнянні з великими фракціями. У межах одного типу ґрунтів у залежності від гранулометричного складу нагромадження радіонуклідів рослинами може змінюватися в 10 разів. Більш висока сорбція радіонуклідів дрібними фракціями ґрунту обумовлена як великою питомою поверхнею глинистих і мулистих часточок, так і відмінністю їх властивостей. Зі зменшенням розміру гранулометричних фракцій підвищується вміст у них гумусу й обмінних катіонів, а також збільшується ємність катіонного обміну. Крім того, розходження у властивостях гранулометричних елементів різного ступеня дисперсності пояснюється особливостями мінералогічного складу. Переважними мінералами фракцій дрібного піску і крупного пилу є кварц і польові шпати, у середньому і дрібному пилі збільшується вміст слюд і гідрослюд. У мулистій фракції переважають слюди, гідрослюди і мінерали.
Мінеральна частина ґрунту. Мінеральна частина ґрунту складає від 55 до 97 % маси ґрунту. У ґрунті присутні первинні мінерали, представлені головним чином крупнопісчаними частками, і вторинні мінерали, що переважають у глинистих і колоїдних фракціях ґрунту. До групи первинних мінералів відносяться кварц, апатит, польові шпати, слюди (мусковіт, біотит) і ін., до вторинних - мінерали групи каолініту, монтморілоніту, вермикуліту, вторинних гідрослюд та ін. Вторинні мінерали відрізняються високою поглинальною здатністю [11]. Мінерали монтморілонітової групи переважають у чорноземах, каштанових ґрунтах і солонцях, що обумовлює високу сорбцію радіонуклідів і значне зниження їх переходу в рослини.
Органічна речовина ґрунту. Важливий вплив на міграцію радіонуклідів у ґрунті і поглинання їх рослинами створює органічна речовина. Для більшості радіонуклідів збільшення вмісту гумусу в ґрунті є чинником, що знижує їх надходження в рослини [24]. Поводження радіонуклідів пов'язане з органічною речовиною ґрунтів специфічної природи - гуміновими і фульвокислотами. Здатність гумінових кислот адсорбувати іони, а також утворювати міцні складні комплекси з радіонуклідами впливає на сорбцію їх у ґрунті і надходження в рослини.
Для ряду радіонуклідів, наприклад трансуранових, помітний вплив на їх доступність рослинам створює сполука хелатного типу, що характеризуються високою мобільністю. Виняткова роль органічної речовини в надходженні в рослини радіоізотопів внаслідок утворення йод-гумусових сполук.
Кислотність ґрунту. Кислотність ґрунтів неоднозначно впливає на біологічну рухливість у них радіонуклідів. Для 90Sr, 137Cs при збільшенні кислотності зростає інтенсивність надходження радіонуклідів у рослини. При підвищенні рН 59Fe, 60Co, 65Zn і 115mCd переходять з іонної форми в різні гідролізні і комплексні сполуки, що знижує їх доступність для рослин. Для багатьох радіонуклідів залежність їх поведінки від кислотності ґрунтів складна - для деяких з них характерні два і більш піки максимумів рухливості. Кислотність спричиняє і непрямий вплив на сорбцію ґрунтами радіонуклідів, змінюючи ємність катіонного обміну.
Карбонатність ґрунту. Вплив карбонатності ґрунтів на доступність радіонуклідів рослинам пов'язана зі зміною кислотності, співвідношення різних фракцій органічних речовин і складу обмінних катіонів, зокрема вмісту обмінного Са. Збільшення карбонатності ґрунтів знижує нагромадження 90Sr у сільськогосподарські культури у 1,1-3 рази, а для 137Cs у цих же умовах надходження в рослини збільшується в 1,3-4 рази (табл. 3.1). У карбонатних ґрунтах відбувається необмінна фіксація 90Sr. У карбонатному чорноземі в порівнянні з вилуженим у 1,5-3 рази нижче вміст водорозчинного 90Sr і на 4-6 % вище кількості необмінного 90Sr. Збільшення вмісту карбонатів у ґрунті змінюється співвідношення між гумусовими кислотами - зменшується вміст фульвокислот. Більш висока рухливість 137Cs у карбонатних ґрунтах може бути пов'язана зі збільшенням кількості водорозчинних органічних сполук, що обумовлюють десорбцію цього радіонукліда [12].
Вологість ґрунту. Відомості про ролі ґрунтової вологи в міграції радіонуклідів у системі ґрунт - рослини досить суперечливі. Відзначено як збільшення переходу радіонуклідів у рослини зі зростанням вмісту вологи в ґрунті, так і відсутність впливу вологості. При різних режимах зволоження може зростати загальний винос радіонуклідів за рахунок збільшення біомаси рослин [11]. Неоднозначність наявних даних про роль вологості пов'язана з тим, що різні радіонукліди поглинаються рослинами з ґрунту в залежності від режиму її зволоження по-різному. Крім того, вплив вологості ґрунтів на рухливість радіонуклідів залежить від властивостей ґрунтів і біологічних особливостей рослин.
Таблиця 3.1
Коефіцієнти накопления 90Sr и 137Csв рослинах в залежності від ступеня карбонатності чорноземів (Алексахин Р.М.)
| Культура | Вміст карбонатів, % | |||
| 0 | 0,7 | 2,2 | 3,2 | |
| 90Sr | ||||
| Ячмень: | ||||
| зерно | 0,12 | 0,10 | 0,04 | 0,04 |
| солома | 0,72 | 0,67 | 0,36 | 0,37 |
| Капуста (качани) | 0,19 | 0,16 | ' 0,17 | 0,08 |
| Томати (плоди) | 0,36 | 0,22 | 0,16 | 0,25 |
| Цибуля (цибулини) | 0,98 | 0,80 | 0,85 | 0,74 |
| Суданська трава (сіно) | 2,20 | 0,99 | 0,89 | 1,57 |
| Кукурудза (на силос) | 0,88 | 0,58 | 0,59 | 0,74 |
| 137Cs, n х10-3 | ||||
| Капуста (качани) | 39 | 59 | 63 | 116 |
| Томати (плоди) | 37 | 60 | 80 | 142 |
| Цибуля (цибулини) | 53 | 52 | 60 | 72 |
| Суданська трава (сіно) | 38 | 35 | 36 | 54 |
| Кукурудза (на силос) | 43 | 47 | 104 | 70 |
Розподіл радіонуклідів у профілі ґрунту. Розподіл радіонуклідів у межах кореневого шару ґрунту впливає на їх надходження в рослини. У перший період після потрапляння радіонуклідів на грунтово-рослинний покрив з повітря вони локалізуються у верхній частині ґрунту. Багато радіонуклідів характеризуються слабкою рухливістю і протягом тривалого періоду часу затримуються в шарі ґрунту 0-5 см. Найбільше інтенсивно переходять у рослини радіонукліди при зосередженні їх у луговій дернині. Так, у перший рік після внесення 90Sr на дернину вміст його в рослинах буде в 2- 8 разів вищий, ніж на 3-й рік.
Рівномірне розміщення радіонуклідів в орному шарі при переорюванні знижує перехід їх у рослини [17].
Найбільш високі рівні забруднення стронцієм спостерігаються на дерново-підзолистих ґрунтах, менші - на сірих лісних ґрунтах і сіроземах і найнижчі - на чорноземах. Аналогічна залежність установлена і для цезію.
Велика різноманітність ґрунтів у нашій країні визначає значну різницю в поведінці РН у ґрунтах і накопиченні їх у рослинах. Тому концентрація РН у рослинах на різних ґрунтах в різних ґрунтово-кліматичних зонах країни при одному й тому ж рівні забруднення може різнитися в 10 разів.
Існує прямо пропорційна залежність між щільністю забруднення місцевості і накопиченням РН у рослинній продукції.
Розмір накопичення РН у рослинах залежить від їхніх видових і сортових особливостей. Рослини, які утримують більше кальцію, накопичують 90Sr більше, а рослини, що відрізняються високим вмістом калію, накопичують більше 137Cs.
У товарній частині рослинницької продукції найбільше 90Srі 137Csмістять коренеплоди (столовий буряк, морква) і бобові культури (горох, соя, вика), далі картопля, менше РН -у зернових злаках.
За накопиченням 90Srз грунту на одиницю сухої речовини овочеві культури можна розташувати в такому порядку: буряк, огірки, морква, капуста, томати, картопля.
Дослідженнями установлено, що діапазон накопичення 137Csв зерні різних сільськогосподарських культур різний. Так, у зерні квасолі цезію на одиницю маси міститься в 3-5 разів менше, ніж у зерні гороху і вівса. Видова відмінність у накопичуванні цезію окремими сортами пшениці, вівса, квасолі і гороху на одиницю маси зерна може досягати 10, а сортова - складає 1,5-2 рази.
Значно відрізняються вмістом РН озимі і ярові зернові культури. Озимі (пшениця, жито), як правило, накопичують у 2-2,5 рази менше 90Sr і 137Cs, ніж ярові зернові культури (пшениця, овес, ячмінь). Це пояснюється більш високим урожаєм озимих порівняно з яровими.