礦區周邊農田土壤與農作物放射性核素水平檢測和評價

楊磊

杭州電子科技大學,浙江 杭州 310018

浙江省富含豐富的石煤礦，石煤礦的開采為人們提供了大量的石煤等礦產資源，為工業發展做出了貢獻，但同時也不可避免地給周圍生態環境帶來了一定的污染和破壞。石煤礦中伴生了大量的放射性元素238U、232Th、226Ra、40K等，放射性核素不僅污染土壤空氣和水體，對人畜和植株造成直接的傷害，還會通過食物鏈傳遞繼續在人畜體內富集，對人體產生非常大的危害[1]。我省與石煤礦伴生的磷礦中往往含有較多的放射性核素等，導致生產的鈣鎂磷肥和過磷酸鈣等中的放射性核素水平偏高，施用該磷肥可能會進一步增加農田土壤的放射性核素水平[1]。

然而目前國內對放射性核素檢測和遷移研究工作大多圍繞種地放射性廢物處置庫的地質工作開展的[2]，對具體某個石煤礦附近的農田和農作物中核素水平監測研究則較少。姚高揚等[2]以南方某鈾尾礦庫區周邊土壤為研究對象，研究了稻田土壤中放射性核素的分布特征，發現鈾尾礦周邊稻田土壤處于高度污染水平，應引起有關部門的高度重視，加強對鈾礦山的污染調查和生態修復工作。因此，有必要嚴密監控礦區周邊的農田土壤和農作物中放射性核素水平，為生產健康放心的糧食提供科學指導。

1 材料與方法

1.1 樣品采集

以某石煤礦區為起點，在距離礦區1 km的下游農田處取樣，在河道兩側各選3個監測點，每側監測點之間隔500 m，取樣監測點如圖1所示。每個監測點采集上層15 cm厚度土層土壤，監測點采集范圍設在10 m×10 m范圍內，采用梅花式布點取5個土樣混合而成，混合土樣重1.5 kg左右，土樣裝進塑料袋內密封保存運回實驗室備用[3,4]。所選田塊于每年3～9月份種植水稻。在收獲期取同一土壤監測點上的植株，取樣方法同上，每個監測點各取5株水稻。

圖1 取樣點示意圖Fig.1 Sampling point diagram

1.2 放射性核素比活度檢測

將田間采集的樣品置于烘箱中105℃烘干至恒重，轉入球磨機中粉碎，200目過篩，稱取100 g樣品放入γ譜分析專用的樣品盒中密封存放，放置3～4周后測量[3]。放射性核素比活度檢測依照《土壤中放射性核素的γ能譜分析方法GB/T 11743-2013》。測量儀器為高純鍺γ譜儀GMX系列N型同軸HPGe探測器，能量響應范圍為3～10 keV，相對探測效率為30%[5]。標準源使用中國計量科學研究院提供的U-Ra-Th-K固體混合源；用空樣品盒測量實驗室環境放射本底，標準源測量6 h，植物樣品測量24 h[6]。

2 數據統計與分析

2.1 富集系數

水稻籽粒對土壤中放射性核素的富集系數（Accumulation factor，AF）被定義為植物體內的核素放射性比活度與土壤中對應核數的放射性比活度之比[7]。

2.2 內梅羅污染指數

內梅羅指數法（Nemerow index）是評價土壤重金屬污染使用最廣泛的綜合指數法[8]。計算公式為：

式中，Pi為單項核素污染指數，Ci為單項污染物實測值，Si為根據需要選取的評價標準；P綜合為綜合污染指數，avg(Pi)為單項污染指數平均值；max(Pi)為最大單項污染指數[8]。

3 結果與分析

3.1 農田土壤中天然放射性核素比活度

農田土壤中天然放射性核素比活度見表1。該片區農田土壤上層15 cm厚度土層中的238U、232Th、226Ra和40K的比活度均值分別為132.77 Bq/kg、54.26 Bq/kg、116.55 Bq/kg和909.25 Bq/kg。取樣點間的土壤放射性核素水平存在一定的差異，靠近礦區的取樣點比活度稍偏高，說明離礦區越近，土壤受到的核素污染越嚴重。

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

3.2 農田土壤放射性核素污染指數評價

將該礦區附近農田土壤放射性核素含量與浙江省土壤放射性核素背景值[9]作比對，用內梅羅指數法進行評價，結果見表2。參照土壤內梅羅指數評價標準（表3）[10]，結果發現238U、232Th、226Ra和40K這4種放射性核素的綜合性污染指數達3.45，達到了土壤重度污染水平。從單因子污染指數看，該農田土壤中的238U污染最大，其對土壤的放射性污染貢獻值最大，其次是226Ra，達到了中度污染水平，232Th和40K則屬于輕度污染。

表2 礦區周邊農田土壤放射性污染評價（Bq/kg）Table 2 Evaluation of radioactive pollution of farmland soil around the mining area

表3 土壤內梅羅污染指數評價標準Table 3 Evaluation criteria for soil Nemerow pollution index

3.3 農作物放射性核素比活度分析

某石煤礦區附近農田栽培水稻中的天然放射性核素比活度見表4。結果表明水稻根系中的放射性核素比活度最高，其次是莖葉中核素，籽粒中的放射性核素比活度最低。放射性元素可同時通過葉面和根系進入植物體內，并按一定比例分配到各器官中，其中營養器官比生殖器官中累積地更多，這與前人的研究結果一致[11,12]。水稻種的232Th比活度總體處于較低水平，其中籽粒中核素比活度為僅為0.06 Bq/kg。水稻籽粒中的238U、226Ra和40K平均比活度分別為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-農作物轉移分析

水稻籽粒對土壤中4種放射性核素富集情況如圖2所示。水稻籽粒對232Th的富集系數最高，為1.15×10-3；對238U的富集水平最低，為1.04×10-3。結果表明水稻籽粒對土壤中放射性核素的轉移和富集水平較低。

圖2 水稻籽粒對土壤中放射性核素的富集系數Fig.2Accumulation factors of rice seed to radionuclides in the soil

4 討論

石煤礦區的開采向環境中釋放了大量的放射性核素，放射性核素可通過空氣沉降、水體遷移和人為因素等多種方式污染農田土壤，而造成礦區周邊農田土壤放射性核素水平高的主要因素是地層中存在高含量的放射性礦物和地表受到放射性污染[13]。試驗調查的某石煤礦區土壤放射性核素處于中度污染水平，其中238U達到重度污染水平，226Ra達到重度污染水平，232Th和40K則處于輕度污染水平，可能是因為該片農田里礦區較近。

研究發現水稻不同器官對土壤中放射性核素的富集能力不同，根系的富集能力最強，其次是莖葉，籽粒能力最弱。放射性核素在作物中的轉移不僅與核素的含量和理化性質、作物的生理特征有關[14]，還受土壤pH值、排灌、耕作和施肥等多種因素影響[9]。因0～15 cm土層植物根系發達，根系分泌的一些螯合物可能與放射性核素238U、226Ra和232Th等形成較穩定的螯合物復合體，進而減少了根系對核素的吸收[2]。

由于該石煤礦區周邊農田土壤放射性核素處于中度污染水平，縱使水稻籽粒中放射性核素水平較低，但不能保證種植的其他葉菜類蔬菜中核素水平不超標[15]，因此不適宜在該農田土壤上種植核素吸附能力強的農作物。通常認為降低土壤中放射性核素進入食物鏈的方法主要有嚴格控制污染源；改變核素的化學狀態，降低其生物有效性；篩選或培育對核素的轉移系數大、積累多的植物品種對土壤進行生物修復等[16]。因此建議采取相應措施對石煤礦區附近農田土壤進行保護和修復，減少放射性核素進入食物鏈。

5 結論

有必要對礦區附近的農田土壤放射性核素水平進行定期動態監測，采取相應措施保護耕地安全，盡可能減少放射性核素進入食物鏈。

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