降雨途徑中農(nóng)作物對(duì)核素的截獲行為研究現(xiàn)狀

韓寶華 郭書揚(yáng) 張 晟 張 超 曹少飛 王慧娟

(1. 中國(guó)輻射防護(hù)研究院, 太原, 030006； 2. 蘭州大學(xué), 蘭州, 730107)

核設(shè)施運(yùn)行過(guò)程中，少量放射性核素通過(guò)顆?；驓怏w的形式釋放到環(huán)境中。釋放到空氣中的污染物主要通過(guò)干、濕沉積方式降落到土壤或農(nóng)作物的表面。干沉積是指大氣中污染物直接沉積在農(nóng)作物或土壤表面；濕沉積是指大氣中的污染物被雨、雪或冰雹載帶輸運(yùn)至農(nóng)作物或土壤表面，降雨是濕沉積的主要方式。降雨中農(nóng)作物對(duì)放射性核素的作用包括：葉面截獲、葉面吸收、易位、根部吸收、土壤的再懸浮等。核設(shè)施運(yùn)行情況下，在農(nóng)作物的成長(zhǎng)階段，核素沉積是食物鏈污染的主要途徑。在核素濕沉積過(guò)程中，對(duì)農(nóng)作物可食部分而言，大氣中核素直接沉積到葉面的生態(tài)轉(zhuǎn)移比從作物根部從污染土壤中吸收要快速。

降雨中放射性核素沉積到植物葉面，被農(nóng)作物截獲、易位生態(tài)轉(zhuǎn)移的過(guò)程，IAEA 472號(hào)技術(shù)報(bào)告建議用截獲因子(放射性核素沉降后，單位面積土壤上植物表面截獲的放射性活度與沉降時(shí)刻單位面積上沉積的總放射性活度之比，無(wú)量綱)、質(zhì)量截獲因子〔截獲因子f與沉降時(shí)單位面積土壤上植物的生物量(干重)之比，m2/kg〕、易位因子(收獲時(shí)單位面積土壤上植物可食部分的放射性活度與沉降時(shí)單位面積土壤上植物截獲的放射性活度之比，%)來(lái)表征[1]。

1 研究現(xiàn)狀

降雨中核素在農(nóng)作物中的生態(tài)轉(zhuǎn)移是核環(huán)境評(píng)價(jià)的重要環(huán)節(jié)。我國(guó)在20世紀(jì)90年代初，針對(duì)核事故情況，通過(guò)直接污染農(nóng)作物茄子、萵筍、稻谷的葉面，研究農(nóng)作物對(duì)核素的截獲轉(zhuǎn)移行為，為農(nóng)作物對(duì)核素的截獲研究積累經(jīng)驗(yàn)，但在這些研究過(guò)程中，存在污染方式簡(jiǎn)單，模擬程度低等缺點(diǎn)[2,3]。通過(guò)人工氣溶膠沉積實(shí)驗(yàn)，研究植物體(包括水稻、小麥、蘿卜、白菜和西紅柿)對(duì)核素90Sr、137Cs的干沉積截獲、易位行為，得到了干沉積中農(nóng)作物對(duì)90Sr、137Cs的截獲因子和易位因子實(shí)驗(yàn)值[4]。

在20世紀(jì)90年代初，國(guó)外學(xué)者開(kāi)始研究降雨過(guò)程中核素在農(nóng)作物中的生態(tài)轉(zhuǎn)移，多數(shù)研究是切爾諾貝利核事故后的野外實(shí)驗(yàn)，或在實(shí)驗(yàn)室模擬降雨進(jìn)行。研究農(nóng)作物種類包括：油菜、春小麥、大麥粒、黑麥粒、大米、豆科、牧草等，實(shí)驗(yàn)研究周期長(zhǎng)，記錄比較詳細(xì)[5-9]。文獻(xiàn)[1]給出了一些農(nóng)作物在不同雨量情況下對(duì)幾種核素的截獲因子、質(zhì)量截獲因子的參考值。

Bengtsson等[10]在瑞典中東部地區(qū)降雨量為1 m、降雨強(qiáng)度為2 mm/min、降雨時(shí)間為30 s、134Cs為24.5～30.9 kBq/m2、85Sr為28～50 kBq/m2的條件下，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)，研究了降雨中油菜和春小麥對(duì)85Sr、134Cs的截獲行為，以及在農(nóng)作物6個(gè)生長(zhǎng)階段的截獲因子和生物量、生長(zhǎng)階段、葉面積的關(guān)系。研究結(jié)果表明，降雨中油菜對(duì)134Cs、85Sr的最大截獲因子分別是0.32±0.22、0.41±0.29，降雨中春小麥對(duì)134Cs、85Sr的最大截獲因子分別是0.36±0.14、0.48±0.18，在油菜拔節(jié)期和春小麥接近成熟時(shí)期，對(duì)核素的截獲因子最大。

Bengtsson[11]在瑞典中東部地區(qū)，模擬降雨量為1 mm、降雨強(qiáng)度為2 mm/min、降雨30 s，134Cs的總使用量為24.5～41 kBq/m2、85Sr的總使用量為28.5～49.8 kBq/m2的條件下，分別在牧草的6個(gè)生長(zhǎng)階段進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，研究牧草對(duì)85Sr、134Cs的截獲行為，以及截獲過(guò)程與牧草生物量和葉面積的關(guān)系。研究結(jié)果表明，模擬降雨中牧草對(duì)85Sr、134Cs的截獲因子分別是0.03～0.37、0.02～0.34，質(zhì)量截獲因子分別是0.331～1.076 m2/kg、0.378～1.056 m2/kg，牧草生長(zhǎng)茂盛時(shí)期對(duì)降雨中核素的截獲最大，牧草地上部分生物量及葉面積和核素的截獲因子密切相關(guān)。

Choi等[12]在溫室且核素活度濃度為14.8～70.1 kBq/mL、放射性溶液17 mL、約16 s完成一次噴灑操作的條件下，研究降雨中多種核素54Mn、57Co、85Sr、103Ru、134Cs在大米和胡蘿卜地上部分的生態(tài)轉(zhuǎn)移。結(jié)果表明，轉(zhuǎn)移參數(shù)隨核素種類、沉積時(shí)間、農(nóng)作物種類不同而不同，如隨大米和胡蘿卜的成長(zhǎng)，核素的截獲因子明顯增大。

降雨中農(nóng)作物對(duì)核素的截獲參數(shù)及其影響因素已有報(bào)道12～16]，結(jié)果是影響農(nóng)作物截獲核素的因素較多，如核素性質(zhì)、降雨量、降雨強(qiáng)度、農(nóng)作物種類及生長(zhǎng)階段、農(nóng)作物特性(葉面結(jié)構(gòu)、葉子尺寸)等。

核素沉積到農(nóng)作物表面，主要是生物、物理、化學(xué)作用的綜合影響：

(1) 生物作用——農(nóng)作物葉面特點(diǎn)、農(nóng)作物生長(zhǎng)階段、污染和收獲之間的時(shí)間等；

(2) 物理作用——雨量大小、葉面儲(chǔ)水功能、雨水組成及農(nóng)作物的物理特點(diǎn)等；

(3) 化學(xué)作用——主要指葉面對(duì)核素的吸附作用，和污染物的化學(xué)性質(zhì)密切相關(guān)。

對(duì)濕沉降而言，影響農(nóng)作物對(duì)核素截獲的主要因素有葉面的儲(chǔ)水功能、污染物與葉面的相互作用，以及葉面對(duì)離子的選擇性積累。

表1列出了國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)中農(nóng)作物對(duì)Sr、Cs的截獲因子、質(zhì)量截獲因子的參考值。

由表1可見(jiàn)，農(nóng)作物對(duì)Sr的截獲因子隨農(nóng)作物種類、降雨量等的不同而不同，最高約0.76，對(duì)Cs的截獲因子最高約0.95；降雨中核素在農(nóng)作物中的生態(tài)轉(zhuǎn)移遵循一定的規(guī)律，如在農(nóng)作物同等的生長(zhǎng)時(shí)期、同等降雨量的情況下，農(nóng)作物對(duì)Sr的截獲因子、質(zhì)量截獲因子普遍高于Cs，這是由于農(nóng)作物葉面呈負(fù)電荷，高價(jià)陽(yáng)離子態(tài)更容易被截獲。由于農(nóng)作物葉面有一定的儲(chǔ)水功能，隨著降雨的發(fā)生，截獲因子增加，達(dá)到葉面的儲(chǔ)水容量后，雨水會(huì)沖涮核素，截獲因子不再增加。

雖然國(guó)際上針對(duì)核事故情景開(kāi)展了一系列降雨中核素在農(nóng)作物中的生態(tài)轉(zhuǎn)移研究，對(duì)我國(guó)核環(huán)境生態(tài)轉(zhuǎn)移參數(shù)的研究提供了重要參考，但其研究仍存在不足之處，如，降雨實(shí)驗(yàn)方法多數(shù)采用手動(dòng)噴霧法或葉片沾污法，或降雨不均勻，無(wú)法避免研究結(jié)果的不確定性；降雨中核素活度濃度高；實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)需進(jìn)一步優(yōu)化等。已有的文獻(xiàn)主要針對(duì)核事故情景進(jìn)行了研究，研究結(jié)果是否適用于我國(guó)核設(shè)施正常運(yùn)行工況有待驗(yàn)證。

2 建議

我國(guó)的輻射環(huán)境影響評(píng)價(jià)實(shí)踐過(guò)程中，由于缺乏符合我國(guó)農(nóng)作物種類、氣候條件、土壤的截獲易位參數(shù)，采用國(guó)外參數(shù)進(jìn)行評(píng)價(jià)，可能會(huì)導(dǎo)致評(píng)價(jià)結(jié)果與實(shí)際情況不符。應(yīng)盡快開(kāi)展相關(guān)研究，建立符合我國(guó)國(guó)情的轉(zhuǎn)移參數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)，提高評(píng)價(jià)結(jié)果的準(zhǔn)確性。

建議盡快開(kāi)展以下幾方面的研究工作：

(1) 全面建立降雨中截獲實(shí)驗(yàn)方法，包括選取我國(guó)特定區(qū)域農(nóng)作物種類、測(cè)量農(nóng)作物生物參數(shù)——株高、葉面積和含水率等，人工氣候室模擬現(xiàn)場(chǎng)條件——光照、降雨量和污染物濃度等，實(shí)施污染降雨、農(nóng)作物成長(zhǎng)管理，實(shí)驗(yàn)流程科學(xué)合理。

(2) 進(jìn)行轉(zhuǎn)移參數(shù)不確定性分析，截獲參數(shù)和降雨量、農(nóng)作物生長(zhǎng)階段、污染水平、核素種類等皆有聯(lián)系，需要明確多種影響因素的作用，進(jìn)行參數(shù)靈敏度分析，揭示核素轉(zhuǎn)移機(jī)理。

(3) 研究降雨中農(nóng)作物對(duì)核素截獲行為預(yù)測(cè)模式，為放射性核素生態(tài)轉(zhuǎn)移提供理論依據(jù)。

表1 文獻(xiàn)中農(nóng)作物對(duì)Sr、Cs的截獲因子、質(zhì)量截獲因子參考值