降雨途徑中農作物對核素的截獲行為研究現狀

韓寶華 郭書揚 張 晟 張 超 曹少飛 王慧娟

(1. 中國輻射防護研究院, 太原, 030006； 2. 蘭州大學, 蘭州, 730107)

核設施運行過程中，少量放射性核素通過顆粒或氣體的形式釋放到環境中。釋放到空氣中的污染物主要通過干、濕沉積方式降落到土壤或農作物的表面。干沉積是指大氣中污染物直接沉積在農作物或土壤表面；濕沉積是指大氣中的污染物被雨、雪或冰雹載帶輸運至農作物或土壤表面，降雨是濕沉積的主要方式。降雨中農作物對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。核設施運行情況下，在農作物的成長階段，核素沉積是食物鏈污染的主要途徑。在核素濕沉積過程中，對農作物可食部分而言，大氣中核素直接沉積到葉面的生態轉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，被農作物截獲、易位生態轉移的過程，IAEA 472號技術報告建議用截獲因子(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刻單位面積上沉積的總放射性活度之比，無量綱)、質量截獲因子〔截獲因子f與沉降時單位面積土壤上植物的生物量(干重)之比，m2/kg〕、易位因子(收獲時單位面積土壤上植物可食部分的放射性活度與沉降時單位面積土壤上植物截獲的放射性活度之比，%)來表征[1]。

1 研究現狀

降雨中核素在農作物中的生態轉移是核環境評價的重要環節。我國在20世紀90年代初，針對核事故情況，通過直接污染農作物茄子、萵筍、稻谷的葉面，研究農作物對核素的截獲轉移行為，為農作物對核素的截獲研究積累經驗，但在這些研究過程中，存在污染方式簡單，模擬程度低等缺點[2,3]。通過人工氣溶膠沉積實驗，研究植物體(包括水稻、小麥、蘿卜、白菜和西紅柿)對核素90Sr、137Cs的干沉積截獲、易位行為，得到了干沉積中農作物對90Sr、137Cs的截獲因子和易位因子實驗值[4]。

在20世紀90年代初，國外學者開始研究降雨過程中核素在農作物中的生態轉移，多數研究是切爾諾貝利核事故后的野外實驗，或在實驗室模擬降雨進行。研究農作物種類包括：油菜、春小麥、大麥粒、黑麥粒、大米、豆科、牧草等，實驗研究周期長，記錄比較詳細[5-9]。文獻[1]給出了一些農作物在不同雨量情況下對幾種核素的截獲因子、質量截獲因子的參考值。

Bengtsson等[10]在瑞典中東部地區降雨量為1 m、降雨強度為2 mm/min、降雨時間為30 s、134Cs為24.5～30.9 kBq/m2、85Sr為28～50 kBq/m2的條件下，通過現場實驗，研究了降雨中油菜和春小麥對85Sr、134Cs的截獲行為，以及在農作物6個生長階段的截獲因子和生物量、生長階段、葉面積的關系。研究結果表明，降雨中油菜對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，在油菜拔節期和春小麥接近成熟時期，對核素的截獲因子最大。

Bengtsson[11]在瑞典中東部地區，模擬降雨量為1 mm、降雨強度為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個生長階段進行實驗，研究牧草對85Sr、134Cs的截獲行為，以及截獲過程與牧草生物量和葉面積的關系。研究結果表明，模擬降雨中牧草對85Sr、134Cs的截獲因子分別是0.03～0.37、0.02～0.34，質量截獲因子分別是0.331～1.076 m2/kg、0.378～1.056 m2/kg，牧草生長茂盛時期對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。

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轉移。結果表明，轉移參數隨核素種類、沉積時間、農作物種類不同而不同，如隨大米和胡蘿卜的成長，核素的截獲因子明顯增大。

降雨中農作物對核素的截獲參數及其影響因素已有報道12～16]，結果是影響農作物截獲核素的因素較多，如核素性質、降雨量、降雨強度、農作物種類及生長階段、農作物特性(葉面結構、葉子尺寸)等。

核素沉積到農作物表面，主要是生物、物理、化學作用的綜合影響：

(1) 生物作用——農作物葉面特點、農作物生長階段、污染和收獲之間的時間等；

(2) 物理作用——雨量大小、葉面儲水功能、雨水組成及農作物的物理特點等；

(3) 化學作用——主要指葉面對核素的吸附作用，和污染物的化學性質密切相關。

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

表1列出了國內外文獻中農作物對Sr、Cs的截獲因子、質量截獲因子的參考值。

由表1可見，農作物對Sr的截獲因子隨農作物種類、降雨量等的不同而不同，最高約0.76，對Cs的截獲因子最高約0.95；降雨中核素在農作物中的生態轉移遵循一定的規律，如在農作物同等的生長時期、同等降雨量的情況下，農作物對Sr的截獲因子、質量截獲因子普遍高于Cs，這是由于農作物葉面呈負電荷，高價陽離子態更容易被截獲。由于農作物葉面有一定的儲水功能，隨著降雨的發生，截獲因子增加，達到葉面的儲水容量后，雨水會沖涮核素，截獲因子不再增加。

雖然國際上針對核事故情景開展了一系列降雨中核素在農作物中的生態轉移研究，對我國核環境生態轉移參數的研究提供了重要參考，但其研究仍存在不足之處，如，降雨實驗方法多數采用手動噴霧法或葉片沾污法，或降雨不均勻，無法避免研究結果的不確定性；降雨中核素活度濃度高；實驗室設計需進一步優化等。已有的文獻主要針對核事故情景進行了研究，研究結果是否適用于我國核設施正常運行工況有待驗證。

2 建議

我國的輻射環境影響評價實踐過程中，由于缺乏符合我國農作物種類、氣候條件、土壤的截獲易位參數，采用國外參數進行評價，可能會導致評價結果與實際情況不符。應盡快開展相關研究，建立符合我國國情的轉移參數數據庫，提高評價結果的準確性。

建議盡快開展以下幾方面的研究工作：

(1) 全面建立降雨中截獲實驗方法，包括選取我國特定區域農作物種類、測量農作物生物參數——株高、葉面積和含水率等，人工氣候室模擬現場條件——光照、降雨量和污染物濃度等，實施污染降雨、農作物成長管理，實驗流程科學合理。

(2) 進行轉移參數不確定性分析，截獲參數和降雨量、農作物生長階段、污染水平、核素種類等皆有聯系，需要明確多種影響因素的作用，進行參數靈敏度分析，揭示核素轉移機理。

(3) 研究降雨中農作物對核素截獲行為預測模式，為放射性核素生態轉移提供理論依據。

表1 文獻中農作物對Sr、Cs的截獲因子、質量截獲因子參考值