научная статья по теме РАСПРЕДЕЛЕНИЕ УРАНА И ТОРИЯ В ПОДЗОЛИСТОЙ ПОЧВЕ, ЗАГРЯЗНЕННОЙ ИХ РАСТВОРИМЫМИ СОЕДИНЕНИЯМИ Геология

Текст научной статьи на тему «РАСПРЕДЕЛЕНИЕ УРАНА И ТОРИЯ В ПОДЗОЛИСТОЙ ПОЧВЕ, ЗАГРЯЗНЕННОЙ ИХ РАСТВОРИМЫМИ СОЕДИНЕНИЯМИ»

ГЕОХИМИЯ, 2015, № 2, с. 187-195

РАСПРЕДЕЛЕНИЕ УРАНА И ТОРИЯ В ПОДЗОЛИСТОЙ ПОЧВЕ, ЗАГРЯЗНЕННОЙ ИХ РАСТВОРИМЫМИ СОЕДИНЕНИЯМИ

© 2015 г. Н. Г. Рачкова, И. И. Шуктомова

Институт биологии Коми НЦ УрО РАН 167982, Сыктывкар, ул. Коммунистическая, 28 e-mail: rachkova@ib.komisc.ru Поступила в редакцию 13.05.2013 г. Принята к печати 02.07.2013 г.

В долгосрочном натурном эксперименте исследованы трансформация и распределение урана и тория в (0-50)-сантиметровой толще подзолистой суглинистой почвы, загрязненной их водорастворимыми солями. Оценена роль компонентов почвенного поглощающего комплекса в этих процессах. Представлены уравнения регрессии, связывающие содержания урана и тория в почве с ее валовым составом и физико-химическими характеристиками.

Ключевые слова: уран, торий, мобильные формы соединений, компоненты почвенного поглощающего комплекса.

Б01: 10.7868/80016752515020065

ВВЕДЕНИЕ

При естественных содержаниях, унаследованных от почвообразующих пород, дифференциация радиоактивных элементов в профиле почвы зависит от ее генетических особенностей (Алек-сахин и др., 1990). Отмечается как аккумуляция в верхних, обогащенных органическими веществами горизонтах (Султанбаев, Григорьев, 1979), так и сравнительно равномерное распределение (Шуктомова, 1986). Внутрипрофильная дифференциация естественных радиоактивных элементов из техногенных источников зависит от физико-химических характеристик почвы, свойств и формы поступления поллютантов, присутствия их химических аналогов — макрокомпонентов.

Соотношения форм нахождения радиоэлементов варьируют по глубине загрязненных почв. В основном естественные радионуклиды прочно сорбируются в верхних горизонтах почвы (Алек-сахин и др., 1990, Таскаев, 1979). В автоморфных почвах таежной зоны миграция ограничивается сорбцией и соосаждением на аморфном гумусе, осадках полуторных окислов, гумусово-железистых пленках на поверхности скелетных зерен (Русанова, 1998). В полугидроморфных почвах радионуклиды поглощаются крупнодисперсными компонентами гумуса и тонкодисперсным органическим веществом рыхлой структуры. Верховые торфяники с высокой кислотностью и содержанием подвижного железа аккумулируют радиоактив-

ные элементы в минерализованной части почвенной толщи.

Считается, что интенсивное и прочное поглощение почвами урана и тория происходит преимущественно за счет органического вещества и глинистых минералов. Сорбция протекает путем реакций ионного обмена, комплексообразова-ния, гидролиза и окисления—восстановления; она сопряжена с миграцией почвенных частиц и движением растворов. Почвенные физико-химические реакции и биоаккумуляция способствуют трансформации и перераспределению радионуклидов в профиле почвы с течением времени. Знание закономерностей указанных процессов необходимо для прогнозирования биологической доступности и геохимической подвижности урана и тория.

Целью исследования было изучение долговременной трансформации и профильного распределения соединений урана и тория, их приуроченности к компонентам поглощающего комплекса подзолистой суглинистой почвы, загрязненной водорастворимыми солями радиоактивных элементов.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Исследуемая почва образована на крупнопы-леватых покровных суглинках и обладает типичными для подзолистого почвообразования морфологическими признаками, гранулометриче-

Таблица 1. Физико-химические характеристики и валовый состав почвы в слое (0—50) см (усредненные величины, п = 36)

Характеристики Глубина отбора, см

0-20 20-25 25-30 30-35 35-40 40-50

Ру, г/см3 1.15 1.18 1.27 1.38 1.50 1.50

рН рНвод 5.40 5.13 5.19 5.18 5.34 5.40

рНсол 3.96 3.94 4.08 3.98 3.91 4.00

Нр, мг-экв./100 г 5.7 5.5 5.1 5.2 5.4 5.2

С % 1.3 1.0 0.7 0.4 0.3 0.3

СР2О5, мкг/г 188.2 84.4 69.4 66.2 87.7 107.6

СК, мкг/г 195.0 123.1 92.5 117.5 118.9 144.0

Кпогл, мг-экв./100 г МБ 0.6 0.7 0.7 0.7 1.1 1.4

Са 2.3 1.8 1.5 1.6 2.3 3.2

Валовый состав (в расчете на оксиды), % №20 0.56 0.52 0.50 0.52 0.59 0.66

МБО 5.2 5.9 5.9 6.6 6.7 7.2

А1203 8.4 8.7 8.6 9.2 10.3 10.8

^ 73.8 75.2 76.0 75.6 74.2 72.0

S 0.033 0.029 0.025 0.022 0.023 0.021

К20 1.93 1.91 1.98 2.02 1.99 2.07

СаО 0.26 0.25 0.24 0.23 0.26 0.28

Г1О2 0.61 0.67 0.63 0.69 0.63 0.59

ре203 2.0 2.2 2.1 2.3 2.3 2.6

Примечание. Здесь и далее Ру, Нр — объемный вес и гидролитическая кислотность; Кпогл, С гум, СР2О5, СК — содержания поглощенных катионов, гумуса, фосфора (V), обменного калия; рНвод и рНсол — водородные показатели водной и солевой вытяжек.

ским и химическим составами (Забоева, 1975, Хмелинин, 1984) . Фоновые содержания урана и тория в ней характеризуются как "пониженные— слабопониженные" (Рачкова, Шуктомова, 2009). Почва развивается в условиях интенсивного про-мачивания атмосферными осадками при небольшой емкости биологического круговорота (Забоева, 1975). Под подстилкой находится развитый подзолистый горизонт. В нем обнаруживается много конкреций, по граням которых наблюдаются гумусово-глинистые пленки и осветленный пылеватый материал. Почвенные слои, следующие за горизонтом (25—50 см), обладают низкой водопроницаемостью. Глубина промерзания почвы не превышает 40 см (Хмелинин, 1984). Климат района характеризуется как умеренно континентальный с продолжительностью периода с температурой воздуха выше 0°С около 200 сут.

Для выполнения поставленной цели экспериментальный участок с пологоувалистым слабо расчлененным рельефом разбили на делянки (1 х 2 м). Их поверхность полили растворами нитрата ура-нила и хлорида тория. Между делянками остави-

ли защитные полосы шириной 0.5 м, отделив их гидроизоляционным материалом. Сразу после радиоактивного загрязнения и в последующие четыре года весной почву перекапывали на глубину слоя 20 см. Для каждого элемента проводили два варианта опыта. На момент загрязнения в первом достигалось превышение фоновых содержаний урана и тория в почве в 80, втором — 100 раз. По-вторность вариантов опыта была девятикратная.

Распределение радиоактивных элементов в толще почвы (0—50 см) изучали через 15 лет после загрязнения. Пробы отбирали в конце вегетационного сезона. Уран определяли люминесцентным (Добролюбская, 1962), торий — фотометрическим методами (Кузнецов, Саввин, 1961). Мобильные формы элементов десорбировали бидистиллиро-ванной водой, 1М растворами ацетата аммония и соляной кислоты. Недесорбированную фракцию считали фиксированной. Исследовали физико-химические характеристики почвы из исследуемой толщи (табл. 1): рН водный и солевой, гидролитическую кислотность, содержания фосфо-ра(У), обменного калия, поглощенных катионов

Таблица 2. Содержание радионуклидов в (0—50) см слое почвы (верхняя строка — опыт 1, нижняя — 2)

Глубина Валовое содержание, Содержание мобильных форм, мБк/г

отбора, см мБк/г водорастворимые обменные кислоторастворимые

Уран

0-20 263.0 ± 79.0 3.3 ± 0.5 41.0 ± 2.0 148.0 ± 42.0

276.0 ± 111.0 4.4 ± 1.5 36.0 ± 8.0 140.0 ± 33.0

20-25 263.0 ± 79.0 0.7 ± 0.2** 11.0 ± 2.0** 114.0 ± 1.0

237.0 ± 18.0 3.2 ± 1.5 53.0 ± 22.0 100.0 ± 16.0

25-30 17.3 ± 0.5*** 0.3 ± 0.2 0.3 ± 0.1** 4.3 ± 1.7**

62.0 ± 3.0** 6.0 ± 3.0 25.0 ± 19.0 31.0 ± 13.0***

30-35 9.4 ± 3.4 0.1 ± 0.0 0.2 ± 0.0 1.4 ± 0.4

22.0 ± 1.0* 1.1 ± 0.2 2.2 ± 0.5 20.0 ± 5.0

35-40 16.0 ± 5.8 0.1 ± 0.0 0.3 ± 0.1 1.0 ± 0.51

25.0 ± 12.0 1.3 ± 0.0 4.2 ± 2.0 3.0 ± 5.0

40-50 21.0 ± 15.0 0.1 ± 0.0 0.1 ± 0.0 2.5 ± 0.5

32.5 ± 0.2* 1.4 ± 0.2 9.0 ± 2.7 13.0 ± 5.0

Торий

0-20 286.0 ± 2.0 0.5 ± 0.1 0.3 ± 0.1 4.7 ± 0.9

350.0 ± 50.0 0.8 ± 0.3 0.4 ± 0.2 5.5 ± 1.3

20-25 73.0 ± 3.0* 0.2 ± 0.0*** 0.1 ± 0.0 0.2 ± 0.0**

62.0 ± 13.0** 0.1 ± 0.0 0.2 ± 0.1 0.9 ± 0.3***

25-30 23.7 ± 0.6* 0.03 ± 0.01** 0.04 ± 0.02 0.2 ± 0.0

24.0 ± 3.0*** 0.03 ± 0.01*** 0.1 ± 0.0 0.2 ± 0.1

30-35 23.4 ± 0.6 не обн. не обн. 0.3 ± 0.1

23.0 ± 2.0 не обн. 0.01 ± 0.01 0.2 ± 0.1

35-40 27.0 ± 3.0 не обн. не обн. 0.4 ± 0.1

23.0 ± 3.0 не обн. не обн. 0.4 ± 0.1

40-50 30.0 ± 4.0 не обн. не обн. 0.7 ± 0.2***

27.0 ± 4.0 не обн. не обн. 0.4 ± 0.1

Примечание. Различия (относительно содержаний радиоактивного элемента в вышележащем слое) достоверны при уровнях значимости: * — р < 0.001, ** — р < 0.01,*** — р < 0.05.

магния и кальция, гигроскопической влаги, гумуса (Агрохимические..., 1975). Концентрации натрия, магния, кремния, серы, алюминия, калия, кальция, титана, железа определяли рентгено-флуоресцентным методом на VRA-30. Для обработки данных использовали программы Microsoft Excel и Statistica.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Полученные данные свидетельствуют о сходстве профильного распределения урана и тория (табл. 2, рисунок). В толще подзолистой суглинистой почвы (0—50 см) их соединения поглощены преимущественно в (0—20) и (20—25)-сантиметровом слоях. Валовые содержания урана в них практически одинаковы. Для тория более выра-

жена аккумуляция в (0-20)-сантиметровом слое. На глубине 20-25 см его валовое содержание достоверно (р < 0.01) снижается в 4-5-раз. С учетом объемной плотности почвы в ее верхнем 25-сантиметровом слое сосредоточено около 90% интегральных запасов тория и урана (рисунок). Преимущественно они представлены в составе кис-лоторастворимых и фиксированных соединений, прочно закрепленных почвенным поглощающим комплексом. Мобильным формам тория в (0-20)-сантиметровом слое принадлежит не более 1.7% запаса элемента в профиле, десятая часть этого количества обнаруживается в водной вытяжке. В образцах почвы, отобранных с глубины 0-25 см, содержания ториевых соединений, растворимых в дистиллированной воде и солянокислой среде, значимо (р < 0.05) ниже (табл. 2). В це-

0 5

е о л с в а с а п а

з %

100 90 80 70 60 50 40 30 20 10

(а)

100

ие, 90

I 80

I 70

о

С 60 50 40 30 20 10 0

0-20 20-25 25-30 30-35 35-40 40-Глубина отбора, см

■ (в)

_

Фиксированные Кислоторастворимые Обменные Водорастворимые

за_I_■—1_I_[*~Д_I_ЕЗ_I

100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0

100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0

(б)

0-20 20-25 25-30 30-35 35-40 40-Глубина отбора, см

(г)

0-20 20-25 25-30 30-35 35-40 40-Глубина отбора, см

50

0-20 20-25 25-30 30-35 35-40 40-Глубина отбора, см

Распределение

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком