降雨途径中农作物对核素的截获行为研究现状

韩宝华 郭书扬 张 晟 张 超 曹少飞 王慧娟

(1. 中国辐射防护研究院, 太原, 030006； 2. 兰州大学, 兰州, 730107)

核设施运行过程中，少量放射性核素通过颗粒或气体的形式释放到环境中。释放到空气中的污染物主要通过干、湿沉积方式降落到土壤或农作物的表面。干沉积是指大气中污染物直接沉积在农作物或土壤表面；湿沉积是指大气中的污染物被雨、雪或冰雹载带输运至农作物或土壤表面，降雨是湿沉积的主要方式。降雨中农作物对放射性核素的作用包括：叶面截获、叶面吸收、易位、根部吸收、土壤的再悬浮等。核设施运行情况下，在农作物的成长阶段，核素沉积是食物链污染的主要途径。在核素湿沉积过程中，对农作物可食部分而言，大气中核素直接沉积到叶面的生态转移比从作物根部从污染土壤中吸收要快速。

降雨中放射性核素沉积到植物叶面，被农作物截获、易位生态转移的过程，IAEA 472号技术报告建议用截获因子(放射性核素沉降后，单位面积土壤上植物表面截获的放射性活度与沉降时刻单位面积上沉积的总放射性活度之比，无量纲)、质量截获因子〔截获因子f与沉降时单位面积土壤上植物的生物量(干重)之比，m2/kg〕、易位因子(收获时单位面积土壤上植物可食部分的放射性活度与沉降时单位面积土壤上植物截获的放射性活度之比，%)来表征[1]。

1 研究现状

降雨中核素在农作物中的生态转移是核环境评价的重要环节。我国在20世纪90年代初，针对核事故情况，通过直接污染农作物茄子、莴笋、稻谷的叶面，研究农作物对核素的截获转移行为，为农作物对核素的截获研究积累经验，但在这些研究过程中，存在污染方式简单，模拟程度低等缺点[2,3]。通过人工气溶胶沉积实验，研究植物体(包括水稻、小麦、萝卜、白菜和西红柿)对核素90Sr、137Cs的干沉积截获、易位行为，得到了干沉积中农作物对90Sr、137Cs的截获因子和易位因子实验值[4]。

在20世纪90年代初，国外学者开始研究降雨过程中核素在农作物中的生态转移，多数研究是切尔诺贝利核事故后的野外实验，或在实验室模拟降雨进行。研究农作物种类包括：油菜、春小麦、大麦粒、黑麦粒、大米、豆科、牧草等，实验研究周期长，记录比较详细[5-9]。文献[1]给出了一些农作物在不同雨量情况下对几种核素的截获因子、质量截获因子的参考值。

Bengtsson等[10]在瑞典中东部地区降雨量为1 m、降雨强度为2 mm/min、降雨时间为30 s、134Cs为24.5～30.9 kBq/m2、85Sr为28～50 kBq/m2的条件下，通过现场实验，研究了降雨中油菜和春小麦对85Sr、134Cs的截获行为，以及在农作物6个生长阶段的截获因子和生物量、生长阶段、叶面积的关系。研究结果表明，降雨中油菜对134Cs、85Sr的最大截获因子分别是0.32±0.22、0.41±0.29，降雨中春小麦对134Cs、85Sr的最大截获因子分别是0.36±0.14、0.48±0.18，在油菜拔节期和春小麦接近成熟时期，对核素的截获因子最大。

Bengtsson[11]在瑞典中东部地区，模拟降雨量为1 mm、降雨强度为2 mm/min、降雨30 s，134Cs的总使用量为24.5～41 kBq/m2、85Sr的总使用量为28.5～49.8 kBq/m2的条件下，分别在牧草的6个生长阶段进行实验，研究牧草对85Sr、134Cs的截获行为，以及截获过程与牧草生物量和叶面积的关系。研究结果表明，模拟降雨中牧草对85Sr、134Cs的截获因子分别是0.03～0.37、0.02～0.34，质量截获因子分别是0.331～1.076 m2/kg、0.378～1.056 m2/kg，牧草生长茂盛时期对降雨中核素的截获最大，牧草地上部分生物量及叶面积和核素的截获因子密切相关。

Choi等[12]在温室且核素活度浓度为14.8～70.1 kBq/mL、放射性溶液17 mL、约16 s完成一次喷洒操作的条件下，研究降雨中多种核素54Mn、57Co、85Sr、103Ru、134Cs在大米和胡萝卜地上部分的生态转移。结果表明，转移参数随核素种类、沉积时间、农作物种类不同而不同，如随大米和胡萝卜的成长，核素的截获因子明显增大。

降雨中农作物对核素的截获参数及其影响因素已有报道12～16]，结果是影响农作物截获核素的因素较多，如核素性质、降雨量、降雨强度、农作物种类及生长阶段、农作物特性(叶面结构、叶子尺寸)等。

核素沉积到农作物表面，主要是生物、物理、化学作用的综合影响：

(1) 生物作用——农作物叶面特点、农作物生长阶段、污染和收获之间的时间等；

(2) 物理作用——雨量大小、叶面储水功能、雨水组成及农作物的物理特点等；

(3) 化学作用——主要指叶面对核素的吸附作用，和污染物的化学性质密切相关。

对湿沉降而言，影响农作物对核素截获的主要因素有叶面的储水功能、污染物与叶面的相互作用，以及叶面对离子的选择性积累。

表1列出了国内外文献中农作物对Sr、Cs的截获因子、质量截获因子的参考值。

由表1可见，农作物对Sr的截获因子随农作物种类、降雨量等的不同而不同，最高约0.76，对Cs的截获因子最高约0.95；降雨中核素在农作物中的生态转移遵循一定的规律，如在农作物同等的生长时期、同等降雨量的情况下，农作物对Sr的截获因子、质量截获因子普遍高于Cs，这是由于农作物叶面呈负电荷，高价阳离子态更容易被截获。由于农作物叶面有一定的储水功能，随着降雨的发生，截获因子增加，达到叶面的储水容量后，雨水会冲涮核素，截获因子不再增加。

虽然国际上针对核事故情景开展了一系列降雨中核素在农作物中的生态转移研究，对我国核环境生态转移参数的研究提供了重要参考，但其研究仍存在不足之处，如，降雨实验方法多数采用手动喷雾法或叶片沾污法，或降雨不均匀，无法避免研究结果的不确定性；降雨中核素活度浓度高；实验室设计需进一步优化等。已有的文献主要针对核事故情景进行了研究，研究结果是否适用于我国核设施正常运行工况有待验证。

2 建议

我国的辐射环境影响评价实践过程中，由于缺乏符合我国农作物种类、气候条件、土壤的截获易位参数，采用国外参数进行评价，可能会导致评价结果与实际情况不符。应尽快开展相关研究，建立符合我国国情的转移参数数据库，提高评价结果的准确性。

建议尽快开展以下几方面的研究工作：

(1) 全面建立降雨中截获实验方法，包括选取我国特定区域农作物种类、测量农作物生物参数——株高、叶面积和含水率等，人工气候室模拟现场条件——光照、降雨量和污染物浓度等，实施污染降雨、农作物成长管理，实验流程科学合理。

(2) 进行转移参数不确定性分析，截获参数和降雨量、农作物生长阶段、污染水平、核素种类等皆有联系，需要明确多种影响因素的作用，进行参数灵敏度分析，揭示核素转移机理。

(3) 研究降雨中农作物对核素截获行为预测模式，为放射性核素生态转移提供理论依据。

表1 文献中农作物对Sr、Cs的截获因子、质量截获因子参考值