Для прогнозирования судьбы радиоактивных веществ в биогеоценозе необходимы, наряду со многими другими параметрами, количественные оценки роли растений в вертикальной миграции отдельных радиоизотопов в почве.
Такие оценки в экспериментальных условиях были сделаны нами для радиоизотопов кобальта, стронция, цезия и церия.
Методика экспериментов заключалась в следующем. На однородном участке дерново-луговой почвы были вырезаны почвенные монолиты размером 60 х 75 х 60 см и помещены в лизиметрические установки, изготовленные из нержавеющей стали. Верхний, задернованный слой почвы (0—10 см) срезали, просеивали и затем снова помещали в лизиметры. В поверхностный слой почвы (0—2 см) лизиметров путем фракционированного полива и тщательного перемешивания, вносили растворы хлоридов 60Со, 90Sr, 137Cs и 144Се в количестве 1,5; 1,0; 2,4 и 1,0 мкюри на 1 лизиметр соответственно, что составляло 200, 150, 360 и 150 мккюри на 1кг воздушно-сухой почвы в зоне первичного загрязнения.
После внесения радиоизотопов в почву часть лизиметров засевали семенами люцерны (Medicago sativa L.), а другую часть в течение всего опыта поддерживали без растительности. Два дополнительных лизиметра, в которые не вносили радиоизотопы, служили контролем для установления возможного влияния внесенных в почву излучателей на развитие растений.
Лизиметры размещали в траншее под открытым небом. Влажность почвы в них постоянно поддерживали на уровне полевой влагоемкости. Опыты с церием продолжались в течение двух вегетационных сезонов, с кобальтом — в течение трех, а со стронцием и цезием — в течение четырех вегетационных сезонов (39 месяцев). В лизиметрах со стронцием-90 и цезием-137 после третьего сезона вегетации (в зиму 1966—1967 гг.) люцерна вымерзла и вместо нее в последний сезон развивалось естественное разнотравное сообщество с доминированием мятлика лугового (Роа pratensis L.) и тысячелистника (Achillea millefolium L.). Вымерзание люцерны не было связано с биологическим действием радиоизотопов, поскольку и в контрольных лизиметрах она в эту зиму тоже полностью вымерзла.
В конце очередного вегетационного сезона учитывали вес надземной массы растений и вынос ими радиоизотопов из почвы. При завершении опыта в каждом почвенном монолите было сделано по 4 разреза, из которых послойно на разных расстояниях от зоны первичного загрязнения отбирали образцы почвы. В лизиметрах с растениями из всех слоев почвы выбирали корни, учитывали их общую биомассу и радиоактивность. Таким способом была получена картина распределения радиоизотопов в корневой системе растений и по слоям почвы с растительным покровом и без него. Можно заметить, что в первый вегетационный сезон все радиоизотопы накапливались надземной массой люцерны в несколько большем количестве, чем в последующие. При этом концентрация стронция-90 в растениях была выше, чем концентрация остальных изотопов. Значения коэффициентов накопления (характеризующихся в данном случае отношением концентрации радиоизотопа в растениях к его концентрации в верхнем, первично загрязненном слое почвы) для стронция колеблются от десятых до сотых долей единицы, а для остальных излучателей на один-два порядка величин ниже. В соответствии с этим и общий вынос стронция-90 надземной массой растений за вегетационный сезон составляет десятые доли процента от внесенного в почву количества, а вынос остальных радиоизотопов не превышает сотых и тысячных долей процента.
Снижение накопления излучателей надземной массой люцерны во второй и третий сезоны вегетации может быть связано с увеличением прочности их фиксации в почве во времени. Кроме того, это явление частично может быть обусловлено смещением в последующие годы развития наиболее деятельной зоны корневой системы люцерны из верхних радиоактивных слоев почвы в более глубокие («чистые») слои. Некоторое повышение накопления стронция-90 и цезия-137 в последний (четвертый) сезон объясняется тем, что в это время вместо люцерны в лизиметрах развивалось довольно сложное сообщество растений, в составе которого как по численности, так и по биомассе доминировали мятлик луговой и тысячелистник. Эти два вида растений, обладая поверхностно расположенной корневой системой, сильнее накапливали радиоизотопы из верхних слоев почвы, чем люцерна.
Коэффициенты накопления изотопов в корнях (для зоны первичного загрязнения почвы) несколько выше, чем в надземной массе растений, но и здесь они в целом не превышают десятых долей единицы. Максимальная концентрация отмечалась в той зоне корней, которая расположена непосредственно в первично загрязненном слое почвы. За пределами этого слоя радиоактивность корней резко снижается, а на глубине 8 см практически не обнаруживается. Следовательно, все изучавшиеся радиоизотопы из поверхностного слоя почвы не только относительно слабо накапливаются в надземных частях растений, но и слабо мигрируют по корневой системе, задерживаясь в основном в той части корней, которая находится в непосредственном контакте с радиоактивной почвой.
Сравнивая миграцию излучателей в почве без растений и с растениями, можно заметить, что в последнем случае они проникают на несколько большую глубину. Это обусловлено влиянием корневой системы растений, способствующей некоторому увеличению проникновения их в глубь почвы.
Как ранее отмечалось, по данным лабораторных опытов стронций-90 характеризуется менее прочной фиксацией в почвах, чем другие изучавшиеся нами радиоизотопы. Этим объясняется более интенсивное поступление, стронция из почвы в растения. Учитывая данные лабораторных и вегетационных опытов, можно было ожидать, что и в описанных экспериментах, проведенных в близких к природным условиям, при сохранении естественной структуры почвенных монолитов, стронций окажется более подвижным в почве, чем цезий. Однако параметры миграции всех четырех радиоизотопов, особенно в почве с растительным покровом, оказались очень близкими. К аналогичному заключению приходят и другие исследователи на основании анализа результатов вертикального распределения в некоторых природных почвах стронция-90 и цезия-137, выпавших с радиоактивными осадками. Можно предполагать, что в данном случае (так же, как и в ранее описанных опытах с лесными почвами) основной причиной снижения относительной подвижности стронция-90 в природных почвах — переход его со временем в необменное состояние. Поскольку почва в лизиметрах постоянно поддерживалась в режиме избыточного увлажнения, то фактор влажности тоже мог способствовать в выравнивании скоростей миграции радиоизотопов.
На незначительную роль растительности в вертикальном заглублении радиоизотопов в почве указывают и результаты опытов с кобальтом-60, внесенным на разную глубину от поверхности почвы.
Максимальный вынос кобальта надземной массой экспериментального фитоценоза, достигающий сотых долей процента от внесенного в почву количества, наблюдается при поверхностном внесении на глубину 10 см. При внесении излучателя в более глубокие слои (10—30 и 30—50 см) вынос его снижается до тысячных долей процента, а на глубине свыше 50 см он остается практически не доступным для надземной массы растений. Так же как в опытах с лизиметрами, кобальт-60 в этом случае накапливается лишь той частью корневой системы растений, которая развивалась непосредственно в радиоактивном слое почвы. Через три года после внесения кобальт практически полностью остался в тех слоях почвы, в которые был внесен первоначально; лишь незначительная часть его мигрировала в смежные нижележащие слои не далее 10 см.
В целом изложенные в данном разделе материалы показывают, что скорость вертикальной миграции интересующих нас радиоизотопов в почве невелика. Травяной покров лишь в незначительной степени ускоряет их миграцию в глубь почвы.