在喷灌条件下，放射性核素经过湿沉降后的风化和迁移过程

《Journal of Environmental Radioactivity》：Weathering and translocation of radionuclides following wet deposition under sprinkler irrigation

该研究在北高加索农业区通过模拟人工降雨探究了7种放射性核素在番茄和黄瓜等蔬菜中的迁移与淋溶规律，发现生物源性核素（如65Zn、134Cs）因与植物必需微量元素相似，其迁移率显著高于106Ru等非生物性核素，并建立了植物自清洁模型。

　　

S. 费森科 | V. 库兹涅佐夫 | N. 桑扎罗娃

俄罗斯库尔恰托夫国家研究中心放射学与农业生态学研究所

摘要

本文提供了关于模拟人工降雨事件后放射性核素在蔬菜作物中迁移和风化过程的新数据。该研究在北高加索的集约农业区进行，以番茄和黄瓜等常见作物为对象，通过喷灌方式施用了多种放射性核素（⁵⁹Fe、⁶⁰Co、⁶⁵Zn、⁸⁹Sr、¹⁰⁶Ru、¹³⁴Cs 和 ¹⁴⁴Ce）。主要目的是探讨放射性核素的性质、植物生长阶段以及果实成熟度对污染动态的影响。

研究结果表明，放射性核素的物理化学性质和植物的营养需求是关键因素。生物源性放射性核素（如⁶⁵Zn 和 ¹³⁴Cs）由于具有类似必需微量元素的特性，其向果实的迁移率显著高于¹⁰⁶Ru等移动性较低的核素。这种迁移增强可能是由于果实早期发育过程中营养物质的流失所致。总体迁移率排序为：¹⁰⁶Ru < ¹⁴⁴Ce < ⁸⁹Sr < ⁶⁰Co < ⁵⁹Fe < ¹³⁴Cs < ⁶⁵Zn。基于这些结果，本文提出了一个描述单次湿沉降后植物自我清除过程的简单模型。

引言

大气释放过程中放射性核素通过叶片吸收是食物污染和公众暴露的重要途径。尽管已有大量研究，但从空气到植被的放射性核素转移过程在干旱气候区的量化仍不够充分。沉降后，放射性核素会随风和雨水被清除，同时植物生长的生物量会稀释其在组织中的浓度。这些浓度受季节性生长模式的影响，而风化损失则取决于放射性核素的性质和植物种类（Middleton, 1958; Anspaugh et al., 2002, Calmon et al., 2009, Choi et al., 2002, Shaw et al., 1992; Madoz-Escande et al., 2004; Madoz-Escande and Santucci, 2005; Garcia-Sanchez et al., 2009; Andersson et al., 2011, Leclerc and Choi, 2009; Thiessen et al., 2022; Hosseini et al., 2024）。

腐蚀产生的放射性核素（如⁵⁹Fe、⁶⁰Co 和 ⁶⁵Zn）通常与核电站正常运行中的液体排放有关。如果这些核素污染了灌溉水，尤其是在依赖集约农业的干旱地区，将构成严重的公共卫生风险。对于经常生食的蔬菜来说，这种风险更为突出。此外，在辐射事故中，受湿沉降影响的区域通常比受干沉降影响的区域污染更严重，从而形成放射性热点。

尽管已有超过50年的关于叶片吸收和风化过程的研究，但目前预测模型仍不完善，因为它们未能充分考虑这些特定腐蚀源放射性核素的行为（IAEA, 2010; IAEA, 2020; UNSCEAR, 2017; IAEA, 2021, Semioshkina and Voigt, 2021）。关于风化的现有数据非常有限，且主要针对少数放射性核素（如¹³¹I 和 ¹³⁷Cs），相关研究主要集中在谷物、草和土豆上（Aarkrog, 1969; Pr?hl, 2009; Colle et al., 2009; Rosén and Vinichuk, 2016）。这导致对于更多放射性核素和经济重要作物（如蔬菜）的数据存在严重缺口。

喷灌是一种有效的研究方法，可以模拟不同强度的降雨，从而研究放射性核素的叶片吸收过程（Kang et al., 2005）。这种方法允许在植物生长的不同阶段进行实验，以评估植物生长对放射性核素拦截及其从营养组织向果实转移的影响。其优势在于能够精确控制灌溉水中的核素浓度、灌溉量以及所研究的植物种类和生物量。

为解决这一不足，研究人员对番茄、黄瓜、胡萝卜、甜菜根和洋葱等常见蔬菜作物进行了全面的田间实验，旨在研究灌溉后放射性核素的行为，特别是控制其拦截、风化和迁移的环境因素。

部分研究结果已发表在多篇论文中。第一篇论文（Kuznetsov et al., 2025）介绍了12项关于蔬菜中放射性核素积累的研究数据。第二篇论文（Fesenko et al., 2025）重点探讨了降雨量、植物生长阶段以及污染后施用清水等关键环境因素对放射性核素拦截过程的影响。本文提供了关于风化和迁移过程的新见解，强调了植物和元素性质的作用。

术语说明

定义与参数

“迁移”是指放射性核素从植物最初受污染的地上部分重新分布到其他未受污染组织的过程。其量化指标为“迁移分数”，表示最初沉积或保留的放射性核素中有多少转移到了特定器官（通常是可食用部分）。

操作上，“迁移因子”（$f_{tr}$）定义为收获时可食用部分中的放射性核素浓度（Bq kg^?1）与...

风化：迁移的影响

在湿沉降情况下，最初吸附在植物地上器官表面的放射性核素浓度会因天气条件、生物量生长和放射性核素衰变而发生变化。这些因素会影响其在蔬菜作物中的积累。本研究使用了三种在植物体内代谢活性不同的放射性核素：⁶⁵Zn、⁸⁹Sr 和 ¹⁰⁶Ru>进行实验。锌作为一种生物源性元素，参与代谢过程较为活跃...

迁移：果实成熟度的影响

对于番茄和黄瓜等连续收获的作物，果实中的放射性核素积累主要通过营养组织的迁移实现（尤其是生物源性元素）。为了研究这一过程，研究人员在番茄开花后期、初现绿色果实时对其进行了污染处理。分别在污染处理后的0.08天、5天、10天和15天采集了样本（表6）。

结论

风化和迁移是影响植物在湿沉降后自我清除的关键过程，在环境影响评估模型中至关重要。研究结果表明，植物在沉降后的自我清除过程是植物表面和内部放射性核素之间复杂相互作用的结果，这种相互作用受到多种环境因素和放射性核素本身特性的影响。

作者贡献声明

S. 费森科：撰写——审稿与编辑、初稿撰写、项目监督、资源管理、方法论设计、数据分析、概念构建。V. 库兹涅佐夫：初稿撰写、数据验证、实验设计、数据整理。N. 桑扎罗娃：初稿撰写、实验设计、数据分析。

写作过程中使用生成式AI和AI辅助技术的声明

在撰写本文时，作者使用了ChatGPT 4.0工具来检查文本的风格和语法。使用该工具后，作者对内容进行了必要的修改，并对发表文章的内容负全责。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本研究是在库尔恰托夫国家研究中心2023–2027年活动计划（项目编号5P.7：“农业应用遗传学与生物技术研究”）的框架下进行的。此外，本研究还得到了国际原子能机构（IAEA）在“干旱和半干旱环境中放射性核素迁移”协调研究项目下的支持。