矿区周边农田土壤与农作物放射性核素水平检测和评价

2017-12-27杨磊

山东农业大学学报（自然科学版） 2017年6期

杨磊

杭州电子科技大学,浙江杭州 310018

浙江省富含丰富的石煤矿，石煤矿的开采为人们提供了大量的石煤等矿产资源，为工业发展做出了贡献，但同时也不可避免地给周围生态环境带来了一定的污染和破坏。石煤矿中伴生了大量的放射性元素238U、232Th、226Ra、40K等，放射性核素不仅污染土壤空气和水体，对人畜和植株造成直接的伤害，还会通过食物链传递继续在人畜体内富集，对人体产生非常大的危害[1]。我省与石煤矿伴生的磷矿中往往含有较多的放射性核素等，导致生产的钙镁磷肥和过磷酸钙等中的放射性核素水平偏高，施用该磷肥可能会进一步增加农田土壤的放射性核素水平[1]。

然而目前国内对放射性核素检测和迁移研究工作大多围绕种地放射性废物处置库的地质工作开展的[2]，对具体某个石煤矿附近的农田和农作物中核素水平监测研究则较少。姚高扬等[2]以南方某铀尾矿库区周边土壤为研究对象，研究了稻田土壤中放射性核素的分布特征，发现铀尾矿周边稻田土壤处于高度污染水平，应引起有关部门的高度重视，加强对铀矿山的污染调查和生态修复工作。因此，有必要严密监控矿区周边的农田土壤和农作物中放射性核素水平，为生产健康放心的粮食提供科学指导。

1 材料与方法

1.1 样品采集

以某石煤矿区为起点，在距离矿区1 km的下游农田处取样，在河道两侧各选3个监测点，每侧监测点之间隔500 m，取样监测点如图1所示。每个监测点采集上层15 cm厚度土层土壤，监测点采集范围设在10 m×10 m范围内，采用梅花式布点取5个土样混合而成，混合土样重1.5 kg左右，土样装进塑料袋内密封保存运回实验室备用[3,4]。所选田块于每年3～9月份种植水稻。在收获期取同一土壤监测点上的植株，取样方法同上，每个监测点各取5株水稻。

图1 取样点示意图Fig.1 Sampling point diagram

1.2 放射性核素比活度检测

将田间采集的样品置于烘箱中105℃烘干至恒重，转入球磨机中粉碎，200目过筛，称取100 g样品放入γ谱分析专用的样品盒中密封存放，放置3～4周后测量[3]。放射性核素比活度检测依照《土壤中放射性核素的γ能谱分析方法GB/T 11743-2013》。测量仪器为高纯锗γ谱仪GMX系列N型同轴HPGe探测器，能量响应范围为3～10 keV，相对探测效率为30%[5]。标准源使用中国计量科学研究院提供的U-Ra-Th-K固体混合源；用空样品盒测量实验室环境放射本底，标准源测量6 h，植物样品测量24 h[6]。

2 数据统计与分析

2.1 富集系数

水稻籽粒对土壤中放射性核素的富集系数（Accumulation factor，AF）被定义为植物体内的核素放射性比活度与土壤中对应核数的放射性比活度之比[7]。

2.2 内梅罗污染指数

内梅罗指数法（Nemerow index）是评价土壤重金属污染使用最广泛的综合指数法[8]。计算公式为：

式中，Pi为单项核素污染指数，Ci为单项污染物实测值，Si为根据需要选取的评价标准；P综合为综合污染指数，avg(Pi)为单项污染指数平均值；max(Pi)为最大单项污染指数[8]。

3 结果与分析

3.1 农田土壤中天然放射性核素比活度

农田土壤中天然放射性核素比活度见表1。该片区农田土壤上层15 cm厚度土层中的238U、232Th、226Ra和40K的比活度均值分别为132.77 Bq/kg、54.26 Bq/kg、116.55 Bq/kg和909.25 Bq/kg。取样点间的土壤放射性核素水平存在一定的差异，靠近矿区的取样点比活度稍偏高，说明离矿区越近，土壤受到的核素污染越严重。

表1 农田土壤中放射性核素比活度（Bq/kg）Table 1 Radionuclide ratio activity in farmland soil

3.2 农田土壤放射性核素污染指数评价

将该矿区附近农田土壤放射性核素含量与浙江省土壤放射性核素背景值[9]作比对，用内梅罗指数法进行评价，结果见表2。参照土壤内梅罗指数评价标准（表3）[10]，结果发现238U、232Th、226Ra和40K这4种放射性核素的综合性污染指数达3.45，达到了土壤重度污染水平。从单因子污染指数看，该农田土壤中的238U污染最大，其对土壤的放射性污染贡献值最大，其次是226Ra，达到了中度污染水平，232Th和40K则属于轻度污染。

表2 矿区周边农田土壤放射性污染评价（Bq/kg）Table 2 Evaluation of radioactive pollution of farmland soil around the mining area

表3 土壤内梅罗污染指数评价标准Table 3 Evaluation criteria for soil Nemerow pollution index

3.3 农作物放射性核素比活度分析

某石煤矿区附近农田栽培水稻中的天然放射性核素比活度见表4。结果表明水稻根系中的放射性核素比活度最高，其次是茎叶中核素，籽粒中的放射性核素比活度最低。放射性元素可同时通过叶面和根系进入植物体内，并按一定比例分配到各器官中，其中营养器官比生殖器官中累积地更多，这与前人的研究结果一致[11,12]。水稻种的232Th比活度总体处于较低水平，其中籽粒中核素比活度为仅为0.06 Bq/kg。水稻籽粒中的238U、226Ra和40K平均比活度分别为0.14 Bq/kg、0.13 Bq/kg和1.01 Bq/kg。

表4 水稻中放射性核素比活度（Bq/kg）Table 4 Radionuclide ratio activity in rice

3.4 放射性核素在土壤-农作物转移分析

水稻籽粒对土壤中4种放射性核素富集情况如图2所示。水稻籽粒对232Th的富集系数最高，为1.15×10-3；对238U的富集水平最低，为1.04×10-3。结果表明水稻籽粒对土壤中放射性核素的转移和富集水平较低。

图2 水稻籽粒对土壤中放射性核素的富集系数Fig.2Accumulation factors of rice seed to radionuclides in the soil

4 讨论

石煤矿区的开采向环境中释放了大量的放射性核素，放射性核素可通过空气沉降、水体迁移和人为因素等多种方式污染农田土壤，而造成矿区周边农田土壤放射性核素水平高的主要因素是地层中存在高含量的放射性矿物和地表受到放射性污染[13]。试验调查的某石煤矿区土壤放射性核素处于中度污染水平，其中238U达到重度污染水平，226Ra达到重度污染水平，232Th和40K则处于轻度污染水平，可能是因为该片农田里矿区较近。

研究发现水稻不同器官对土壤中放射性核素的富集能力不同，根系的富集能力最强，其次是茎叶，籽粒能力最弱。放射性核素在作物中的转移不仅与核素的含量和理化性质、作物的生理特征有关[14]，还受土壤pH值、排灌、耕作和施肥等多种因素影响[9]。因0～15 cm土层植物根系发达，根系分泌的一些螯合物可能与放射性核素238U、226Ra和232Th等形成较稳定的螯合物复合体，进而减少了根系对核素的吸收[2]。

由于该石煤矿区周边农田土壤放射性核素处于中度污染水平，纵使水稻籽粒中放射性核素水平较低，但不能保证种植的其他叶菜类蔬菜中核素水平不超标[15]，因此不适宜在该农田土壤上种植核素吸附能力强的农作物。通常认为降低土壤中放射性核素进入食物链的方法主要有严格控制污染源；改变核素的化学状态，降低其生物有效性；筛选或培育对核素的转移系数大、积累多的植物品种对土壤进行生物修复等[16]。因此建议采取相应措施对石煤矿区附近农田土壤进行保护和修复，减少放射性核素进入食物链。