Table Of ContentМИНИСТЕРСТВО СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА РФ
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего образования
«БРЯНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АГРАРНЫЙ
УНИВЕРСИТЕТ»
Пакшина С. М., Белоус Н. М.
БИОВЫНОС ЦЕЗИЯ-137 ИЗ ПОЧВЫ
ПРОДУКЦИЕЙ РАСТЕНИЕВОДСТВА
Монография
Брянск
2019
1
УДК 546.36:631.4:633/635 (035.3)
ББК 24.121:40.3:41/42
П 13
Пакшина, С. М. Биовынос цезия-137 из почвы продукцией растениеводства: моногра-
фия / С. М. Пакшина, Н. М. Белоус. – Брянск: Изд-во Брянский ГАУ, 2019. – 125 с.
ISBN 978-5-88517-328-5
В научном издании «Биовынос цезия-137 из почвы продукцией растениеводства» при-
водится анализ процессов и явлений, протекающих в почве и растительном покрове, рас-
сматриваются механизмы и причины их возникновения.
Раскрыта закономерность, устанавливающая связь активности цезия-137 в корнеобита-
емом слое со временем, которая учитывает радиоактивный распад, перенос цезия-137 при
инфильтрации воды и биовынос культурой.
Выведена формула, устанавливающая связь между коэффициентом снижения цезия-
137 в продукции растениеводства с транспирацией и параметром биовыноса, установленной
ранее неизвестной величиной.
Описаны основные показатели биовыноса, к которым относятся транспирация, ёмкость
катионного обмена, удельная поверхность, температура корней и почвы, число Пекле, ва-
лентности аниона и катиона радиоактивной соли.
Доказано, что основной причиной видовых различий биовыноса цезия-137 является
разность между плотностью зарядов на поверхности корневой системы и почвы.
Выявлено, что корневая система культур функционирует не только как сорбент, но и
биологическая система.
Раскрыт механизм действия природного карбоната кальция на удельную активность це-
зия-137 фитомассы трав, содержание в ней нитратов, позволяющий регулировать дозу внесе-
ния извести с целью получения продукции, не превышающей нормативы по цезию-137 и
нитратам.
Издание предназначено для научных сотрудников, преподавателей и студентов аграр-
ных вузов.
Авторы: С. М. Пакшина – Разработка электрокинетической концепции биовыноса це-
зия-137 из почвы продукцией растениеводства, позволяющая теоретически обосновать ранее
известные и вновь обнаруженные явления.
Н. М. Белоус – постановка, организация многолетних полевых опытов, формирование
банка данных биовыноса цезия-137 из почвы разными видами культур.
Рецензент: П. В. Прудников – д. с.-х.н., директор ФГБЦ Брянскагрохимрадиология; А.
С. Кононов – д. с.-х. н., профессор Брянского государственного университета им. академика
И. П. Петровского.
Редактор: С. М. Пакшина, д-р биол. наук, профессор.
Рекомендовано к изданию методической комиссией института экономики и агробиз-
неса, протокол №1 от 15 октября 2019 года.
ISBN 978-5-88517-328-5
© ФГБОУ ВО Брянский ГАУ, 2019
© Пакшина С.М., 2019
© Белоус Н.М., 2019
2
СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ ...................................................................................................................................................... 4
Перечень условных обозначений и сокращений .......................................................................................... 7
1. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ БИОВЫНОСА ЦЕЗИЯ-137 ИЗ ПОЧВЫ ПРОДУКЦИЕЙ
РАСТЕНИЕВОДСТВА ................................................................................................................................... 9
1.1. Закономерности передвижения ионов в почве во времени и пространстве и их
теоретическое обоснование ...................................................................................................................... 9
1.2. Модель адсорбции ионов на корневой системе растений ......................................................... 22
2. ЗАКОНОМЕРНОСТИ МИГРАЦИИ ЦЕЗИЯ-137 В КОРНЕОБИТАЕМОМ СЛОЕ ПОЧВЫ ВО
ВРЕМЕНИ И ПРОСТРАНСТВЕ .................................................................................................................. 25
2.1 Распределение цезия-137 по профилю почвы ........................................................................ 25
2.2. Динамика активности цезия-137 в корнеобитаемом слое почвы ........................................... 32
3. ФАКТОРЫ БИОВЫНОСА ЦЕЗИЯ-137 ИЗ ПОЧВЫ И ИХ КОЛИЧЕСТВЕННЫЕ ПОКАЗАТЕЛИ 40
3.1 Доступность почвенной влаги растениям .............................................................................. 40
3.2 Влияние технологий обработки почвы на доступность влаги растениям ....................... 49
3.3 Роль азотных удобрений в биовыносе цезия-137 из почвы фитомассой трав ................. 61
3.4 Влияние известкования почв на биовынос цезия-137 и нитратов многолетними
травами ...................................................................................................................................................... 71
3.5 Биовынос цезия-137 из почвы разными видами культур ................................................... 78
3.6 Биовынос цезия-137 из почвы фитомассой кормовых культур смешанных и
одновидовых посевов .............................................................................................................................. 87
3.7. Биовынос цезия-137 из почвы зерновыми злаками .................................................................. 93
3.8. Кинетика биовыноса 137Cs из почвы культурами в 10-ти польном севообороте ................. 99
4. КОЛИЧЕСТВЕННАЯ ОЦЕНКА ПРОЦЕССА БИОВЫНОСА ЦЕЗИЯ-137 ИЗ ПОЧВЫ
ПРОДУКЦИЕЙ РАСТЕНИЕВОДСТВА ................................................................................................... 105
4.1. Расчёт коэффициента накопления (Кн) 137Cs в продукции растениеводства ..................... 105
4.2. Оценка пригодности загрязнённых радионуклидами почв для возделывания
определённого вида культуры ............................................................................................................ 112
ЗАКЛЮЧЕНИЕ ........................................................................................................................................... 115
ЛИТЕРАТУРА ............................................................................................................................................. 118
3
ВВЕДЕНИЕ
В данной монографии изложена электрокинетическая концепция биовыно-
са цезия-137 из загрязнённых радионуклидами почв продукцией разных видов
сельскохозяйственных культур. Сущность концепции заключается в том, что
при описании процессов, участвующих в биовыносе цезия-137 из почвы (пере-
движение цезия-137 в почве к корневой системе растений; ионно-обменная ад-
сорбция на корнях растений; передвижение цезия-137 в глубь корня) учитыва-
ется наличие на поверхности корней и почвенных частиц двойного электриче-
ского слоя (ДЭС).
Модель адсорбции ионов на поверхности корней растений позволила уста-
новить зависимость процесса биовыноса от разности потенциалов на границе
раздела фаз: корень-раствор и почва-раствор или от разности плотностей заря-
дов на поверхности корней и почвенных частиц.
Учёт электростатического взаимодействия цезия-137 с заряженными по-
верхностями корней (корневых волосков) и почвенными частицами позволил
определить основные понятия биовыноса, к которым относятся: транспирация,
ёмкость катионного обмена, удельная поверхность, температура корней и поч-
вы, число Пекле (Ре), валентности катиона и аниона соли.
В настоящее время установлено, что процесс биовыноса цезия-137 из почвы
сельскохозяйственными культурами зависит от почвенно-климатических условий
и вида культуры. К почвенным факторам биовыноса относятся: механический
(гранулометрический) состав, влажность, ёмкость катионного обмена (ЕКО), со-
держание гумуса и элементов питания, pH, формы соединений цезия-137.
К климатическим факторам относятся температура воздуха и почвы, сумма
среднесуточных значений радиационного баланса, фотосинтетически активной
радиации (ФАР), испаряемость в период вегетации.
Биологические факторы биовыноса цезия-137 из почвы включают вид
культуры, транспирацию, урожайность.
Возникла необходимость раскрыть механизмы действия каждого фактора
4
биовыноса цезия-137 из почвы и выразить их через известные количественные
показатели. Механический (гранулометрический) состав почвы учитывает
удельная поверхность, содержание гумуса – ЕКО, которая зависит от рН.
Влажность и содержание элементов питания влияют на доступность влаги кор-
невой системе растений, которую характеризует число Ре.
Согласно уравнению В. Д. Никольского содержание адсорбированных
ионов микрокомпонента (цезия-137) прямо пропорционально ЕКО сорбента,
которыми являются корневая система и почва, и обратно пропорционально со-
держанию макрокомпонента в растворе (К+ , Са2+, Мg2+, NH +). Следовательно,
4
процесс адсорбции цезия-137 на поверхности корней регулируют ЕКО корне-
вой системы и почвы, а также содержание элементов питания.
Формы соединения цезия-137 в почве учитывает число Ре: с диффузион-
ным потоком раствора к корням растений переносятся в основном адсорбиро-
ванные формы цезия-137, с конвективным – в основном ионы, находящиеся за
пределом ДЭС.
Климатические условия выращивания культур учитывают температуру
почвы и корневой системы, которые входят в величины λ и λ (параметры мас-
п к
сопереноса ионов в почве и к поверхности корней), а также транспирацию в пе-
риод вегетации.
Вид культуры учитывает параметры массопереноса ионов корневой систе-
мы и почвы, в которые входят ёмкость поглощения, удельная поверхность, чис-
ло Ре, температура, валентность аниона и катиона соединения. Каждый вид
культуры характеризуется определённой, присущей только этому виду, плотно-
стью зарядов на поверхности корней.
Ведущая роль в биовыносе 137Cs из почвы принадлежит корневой системе,
которая по сравнению с почвой характеризуется большей емкостью поглоще-
ния и несравнимо малой удельной поверхностью.
В монографии даётся интерпретация широко наблюдаемых явлений
биовыноса цезия-137 из почвы продукцией растениеводства: «биологическое
разбавление» («эффект разбавления»), «агрохимический барьер», действие
5
азотных удобрений и известкования почвы на биовынос цезия-137 и нитратов;
видовые различия культур по величине биовыноса цезия-137; уменьшение до-
ступности влаги корневой системе при избыточной влажности почвы на кон-
троле («водный дефицит»).
Основные понятия концепции были подтверждены литературными данны-
ми полевых опытов, проведённых под руководством профессора Н. М. Белоуса
сотрудниками БГАУ(В. Ф. Шаповалов, Л. П. Харкевич, Е. А. Кротова, Ю. А.
Анишина и многие другие), Новозыбковской сельскохозяйственной опытной
станции филиала ФНЦ кормопроизводства и агроэкологии им. В. Р. Вильямса (
М. Г. Драганская, В. Б. Коренев, Д. М. Ситнов,); сотрудниками ФГБЦ,
Брянскагрохимрадиология (П. В. Прудников, З. Н. Маркина, Л. А. Ковалёв);
Брянского Государственного Университета имени академика И. П. Петровского
(И. А. Борздыко, Н. А. Сковородникова), которым приносится искренняя при-
знательность. Авторы выражают благодарность Е. Н. Осиповой, В. П. Желез-
ной за подготовку рукописи к изданию.
6
Перечень условных обозначений и сокращений
ДЭС – двойной электрический слой
æ – дебаевский радиус;
Д – коэффициент диффузии иона в растворе;
V – скорость движения иона;
t – время;
S – удельная поверхность;
Г – емкость поглощения;
σ – плотность поверхностных зарядов;
r – радиус капилляра;
Ψ – электростатический потенциал;
λ – параметр массопереноса ионов в капиллярно-пористых телах;
α – параметр солеотдачи;
1/æ – толщина ДЭС;
∑вН – сумма осадков за период вегетации;
∑вВс – сумма суточных значений радиационного баланса за период веге-
тации;
∑вQф – сумма суточных значений фотосинтетически активной радиации
(ФАР) за период вегетации;
∑вВк – сумма суточных значений поглощенной радиации (положительной ча-
сти радиационного баланса) за период вегетации;
∑вЕс – эвапотранспирация за период вегетации;
∑вЕо – испаряемость (испарение воды с увлажненной поверхности почвы
в данных условиях) за период вегетации;
КУ – коэффициент увлажнения (∑вН/∑вЕо);
α – коэффициент влагообеспеченности (∑вЕс/∑вЕо);
К – коэффициент использования ФАР, %;
ФАР
∑вЕт – транспирационные потери влаги за период вегетации (суммарная
транспирация), мм;
7
К.т.=∑вЕт/У – коэффициент транспирационный;
1/К.т. - продуктивность транспирации;
У – урожайность абсолютно – сухой продукции, т/га;
∑вЕт/∑вЕо – относительная транспирация;
ВРК – влажность разрыва капиллярной связи;
ППВ – предельная полевая влагоемкость;
ВЗ – влажность завядания;
Кэт – коэффициент эвапотранспирации;
БГАУ – Брянский Государственный Аграрный Университет.
8
1. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ БИОВЫНОСА ЦЕЗИЯ-137 ИЗ
ПОЧВЫ ПРОДУКЦИЕЙ РАСТЕНИЕВОДСТВА
1.1. Закономерности передвижения ионов в почве во времени и про-
странстве и их теоретическое обоснование
Согласно современным представлениям процесс биовыноса ионов корне-
вой системой растений включает три стадии:
1) передвижение ионов из почвы к поверхности корней растений;
2) передвижение ионов с внешней поверхности во внутрь корня (пер-
вичное поглощение);
3) передвижение ионов из корня в стебли и листья (транспорт ионов)
[11,59].
Процесс передвижения ионов в почве под действием гравитационных,
капиллярных и осмотических сил всесторонне и глубоко изучен в агрофизике
и в почвоведении [22,34,36,58]. Коллективным трудом ведущих почвоведов
20-го века, термины «вынос» и «биовынос» ионов из почвы получили точные
определения: биологический вынос - максимальное количество питательных
веществ, поступающих в растения из почвы в течение соответствующей фазы
развития и за весь вегетационный период; вынос солей - перемещение солей
вместе с поливными или промывными водами, а также с водами атмосфер-
ных осадков из верхних горизонтов в нижележащие горизонты и грунтовые
воды [64].
В.Р. Волобуевым (1975) на основе обобщения и анализа многочисленных
данных экспериментально-полевых и лабораторных исследований по промыв-
кам засоленных почв были открыты три закономерности движения и распреде-
ления солей по профилю почвы во времени и пространстве [14].
Первая закономерность связывает массу солей со временем в процессах за-
соления-рассоления почв и имеет следующий вид:
9
C=C exp(±βt), (1)
t 0
где t – время, необходимое для изменения солесодержания в почве от
начального значения С до значения C, β-параметр, характеризующий условия
0 t
протекания процессов. Знак «+» относится к процессу засоления, знак «–» к
процессу рассоления.
Вторая закономерность связывает массу солей с пространством, в котором
протекает процесс рассоления почвы и имеет вид:
h = μlg(C /C), (2)
h i
где h – толщина слоя почвы, C - начальное содержание солей в слое h, C –
h i
остаточное содержание солей в слое i, μ – параметр, характеризующий филь-
трационную способность почвы и степень дренированности территории.
Третья закономерность, которая была получена из первой, связывает массу
солей в почве с количеством профильтровавшейся воды через верхний метро-
вый слой почвы (N) и имеет следующий вид:
N=αlg(C /C ), (3)
0 q
где α – параметр солеотдачи, характеризующий выщелачивающую эффек-
тивность промывной воды, С , C – начальное и допустимое содержание солей
0 q
в однометровой толще почво-грунта соответственно [14].
Из уравнений (1)-(3) следует, что параметры β, μ, α представляют собой
постоянные для конкретной почвы величины, поскольку содержание солей (С ,
0
C, С , С , C ) имеет конечное значение. Было установлено, что параметры β, μ,
t h 1 q
α зависят от гранулометрического состава, характера засоления, температуры
почвы, скорости движения раствора.
10
