楊磊

杭州電子科技大學(xué),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(chǎn)資源，為工業(yè)發(fā)展做出了貢獻(xiàn)，但同時(shí)也不可避免地給周圍生態(tài)環(huán)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(duì)人畜和植株造成直接的傷害，還會(huì)通過食物鏈傳遞繼續(xù)在人畜體內(nèi)富集，對(duì)人體產(chǎn)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(dǎo)致生產(chǎn)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(huì)進(jìn)一步增加農(nóng)田土壤的放射性核素水平[1]。

然而目前國內(nèi)對(duì)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(zhì)工作開展的[2]，對(duì)具體某個(gè)石煤礦附近的農(nóng)田和農(nóng)作物中核素水平監(jiān)測研究則較少。姚高揚(yáng)等[2]以南方某鈾尾礦庫區(qū)周邊土壤為研究對(duì)象，研究了稻田土壤中放射性核素的分布特征，發(fā)現(xiàn)鈾尾礦周邊稻田土壤處于高度污染水平，應(yīng)引起有關(guān)部門的高度重視，加強(qiáng)對(duì)鈾礦山的污染調(diào)查和生態(tài)修復(fù)工作。因此，有必要嚴(yán)密監(jiān)控礦區(qū)周邊的農(nóng)田土壤和農(nóng)作物中放射性核素水平，為生產(chǎn)健康放心的糧食提供科學(xué)指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 樣品采集

以某石煤礦區(qū)為起點(diǎn)，在距離礦區(qū)1 km的下游農(nóng)田處取樣，在河道兩側(cè)各選3個(gè)監(jiān)測點(diǎn)，每側(cè)監(jiān)測點(diǎn)之間隔500 m，取樣監(jiān)測點(diǎn)如圖1所示。每個(gè)監(jiān)測點(diǎn)采集上層15 cm厚度土層土壤，監(jiān)測點(diǎn)采集范圍設(shè)在10 m×10 m范圍內(nèi)，采用梅花式布點(diǎn)取5個(gè)土樣混合而成，混合土樣重1.5 kg左右，土樣裝進(jìn)塑料袋內(nèi)密封保存運(yùn)回實(shí)驗(yàn)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(jiān)測點(diǎn)上的植株，取樣方法同上，每個(gè)監(jiān)測點(diǎn)各取5株水稻。

圖1 取樣點(diǎn)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(zhuǎn)入球磨機(jī)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(yīng)范圍為3～10 keV，相對(duì)探測效率為30%[5]。標(biāo)準(zhǔn)源使用中國計(jì)量科學(xué)研究院提供的U-Ra-Th-K固體混合源；用空樣品盒測量實(shí)驗(yàn)室環(huán)境放射本底，標(biāo)準(zhǔn)源測量6 h，植物樣品測量24 h[6]。

2 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析

2.1 富集系數(shù)

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

2.2 內(nèi)梅羅污染指數(shù)

內(nèi)梅羅指數(shù)法（Nemerow index）是評(píng)價(jià)土壤重金屬污染使用最廣泛的綜合指數(shù)法[8]。計(jì)算公式為：

式中，Pi為單項(xiàng)核素污染指數(shù)，Ci為單項(xiàng)污染物實(shí)測值，Si為根據(jù)需要選取的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)；P綜合為綜合污染指數(shù)，avg(Pi)為單項(xiàng)污染指數(shù)平均值；max(Pi)為最大單項(xiàng)污染指數(shù)[8]。

3 結(jié)果與分析

3.1 農(nóng)田土壤中天然放射性核素比活度

農(nóng)田土壤中天然放射性核素比活度見表1。該片區(qū)農(nóng)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(diǎn)間的土壤放射性核素水平存在一定的差異，靠近礦區(qū)的取樣點(diǎn)比活度稍偏高，說明離礦區(qū)越近，土壤受到的核素污染越嚴(yán)重。

表1 農(nóng)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(nóng)田土壤放射性核素污染指數(shù)評(píng)價(jià)

將該礦區(qū)附近農(nóng)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(duì)，用內(nèi)梅羅指數(shù)法進(jìn)行評(píng)價(jià)，結(jié)果見表2。參照土壤內(nèi)梅羅指數(shù)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)（表3）[10]，結(jié)果發(fā)現(xiàn)238U、232Th、226Ra和40K這4種放射性核素的綜合性污染指數(shù)達(dá)3.45，達(dá)到了土壤重度污染水平。從單因子污染指數(shù)看，該農(nóng)田土壤中的238U污染最大，其對(duì)土壤的放射性污染貢獻(xiàn)值最大，其次是226Ra，達(dá)到了中度污染水平，232Th和40K則屬于輕度污染。

表2 礦區(qū)周邊農(nóng)田土壤放射性污染評(píng)價(jià)（Bq/kg）Table 2 Evaluation of radioactive pollution of farmland soil around the mining area

表3 土壤內(nèi)梅羅污染指數(shù)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)Table 3 Evaluation criteria for soil Nemerow pollution index

3.3 農(nóng)作物放射性核素比活度分析

某石煤礦區(qū)附近農(nóng)田栽培水稻中的天然放射性核素比活度見表4。結(jié)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(shí)通過葉面和根系進(jìn)入植物體內(nèi)，并按一定比例分配到各器官中，其中營養(yǎng)器官比生殖器官中累積地更多，這與前人的研究結(jié)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(nóng)作物轉(zhuǎn)移分析

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

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

4 討論

石煤礦區(qū)的開采向環(huán)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(nóng)田土壤，而造成礦區(qū)周邊農(nóng)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(yàn)調(diào)查的某石煤礦區(qū)土壤放射性核素處于中度污染水平，其中238U達(dá)到重度污染水平，226Ra達(dá)到重度污染水平，232Th和40K則處于輕度污染水平，可能是因?yàn)樵撈r(nóng)田里礦區(qū)較近。

研究發(fā)現(xiàn)水稻不同器官對(duì)土壤中放射性核素的富集能力不同，根系的富集能力最強(qiáng)，其次是莖葉，籽粒能力最弱。放射性核素在作物中的轉(zhuǎn)移不僅與核素的含量和理化性質(zhì)、作物的生理特征有關(guān)[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(fā)達(dá)，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(wěn)定的螯合物復(fù)合體，進(jìn)而減少了根系對(duì)核素的吸收[2]。

由于該石煤礦區(qū)周邊農(nóng)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(biāo)[15]，因此不適宜在該農(nóng)田土壤上種植核素吸附能力強(qiáng)的農(nóng)作物。通常認(rèn)為降低土壤中放射性核素進(jìn)入食物鏈的方法主要有嚴(yán)格控制污染源；改變核素的化學(xué)狀態(tài)，降低其生物有效性；篩選或培育對(duì)核素的轉(zhuǎn)移系數(shù)大、積累多的植物品種對(duì)土壤進(jìn)行生物修復(fù)等[16]。因此建議采取相應(yīng)措施對(duì)石煤礦區(qū)附近農(nóng)田土壤進(jìn)行保護(hù)和修復(fù)，減少放射性核素進(jìn)入食物鏈。

5 結(jié)論

有必要對(duì)礦區(qū)附近的農(nóng)田土壤放射性核素水平進(jìn)行定期動(dòng)態(tài)監(jiān)測，采取相應(yīng)措施保護(hù)耕地安全，盡可能減少放射性核素進(jìn)入食物鏈。

[1]黃家矩.浙江的石煤、磷礦與放射性污染[J].科技通報(bào),1985(4):16-17

[2]姚高揚(yáng),華恩祥,高柏,等.南方某鈾尾礦區(qū)周邊農(nóng)田土壤中放射性核素的分布特征[J].生態(tài)與農(nóng)村環(huán)境學(xué)報(bào),2015,31(6):963-966

[3]廖燕慶,盧德雄,彭 崇,等.廣西某鈾礦山退役治理后環(huán)境放射性調(diào)查與分析[J].輻射防護(hù),2017(1):62-66

[4]支仲驥,黃家鉅.浙江省土壤中天然放射性核素含量調(diào)查[J].輻射防護(hù),1986(4):49-54

[5]楊 巍,楊亞新,曹龍生,等.某鈾尾礦庫中放射性核素對(duì)環(huán)境的影響[J].東華理工大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2011,34(2):155-159

[6]王小林,聶 臻,劉斯峰,等.擬建核電站周邊環(huán)境放射性元素監(jiān)測結(jié)果[J].浙江預(yù)防醫(yī)學(xué),2016,28(5):513-514

[7]陳世寶,朱永官,陳保冬.土壤改良劑對(duì)油菜富集238U、226Ra及232Th的影響[J].環(huán)境工程學(xué)報(bào),2006,7(11):13-17

[8]郭笑笑,劉叢強(qiáng),朱兆洲,等.土壤重金屬污染評(píng)價(jià)方法[J].生態(tài)學(xué)雜志,2011,30(5):889-896

[9]陳生茂.浙江省土壤中天然放射性[J].中華放射醫(yī)學(xué)與防護(hù)雜志,1985,5(5):354-355

[10]趙卓亞,王志剛,畢擁國,等.保定市城市綠地土壤重金屬分布及其風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)[J].河北農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2009,32(2):16-20

[11]史建君,徐寅良.華東地區(qū)粉煤灰農(nóng)田模擬試驗(yàn)和放射性分析[J].核農(nóng)學(xué)報(bào),2002,16(4):212-216

[12]朱永懿,裘同才,陳景堅(jiān).幾種農(nóng)作物對(duì)放射性鈰的吸收和積累的研究[J].稀有金屬,1982(5):79-82

[13]張維明,黃家矩,支仲驥.浙江省石煤開發(fā)利用對(duì)環(huán)境的放射性影響[J].輻射防護(hù),1989(3):189-299

[14]Kopheeb HA,高保成.可溶放射性核素以根外途徑進(jìn)入農(nóng)作物[J].核農(nóng)學(xué)通報(bào),1987(2):5-7

[15]胡玉芬,李新星,酈依華,等.2006-2007年浙江省區(qū)域內(nèi)部分放射性核素的監(jiān)測[J].職業(yè)與健康,2008,24(23):2518-2519

[16]顧崟飛.鍶對(duì)黑麥草生理生化特性及礦質(zhì)元素吸收的影響[D].杭州:浙江大學(xué),2008:17-18