土耳其半干旱地区土壤中90Sr和稳定Sr向植物转移因子的测定

锶-90及其稳定同位素在土耳其半干旱农业区的土壤-植物转移因子研究显示，植物中稳定锶与锶-90浓度呈显著正相关（R=0.89），而土壤中二者无显著相关性。不同植物器官间转移因子差异显著，茎部高于籽粒（小麦、大麦等）或相反（番茄）。该成果为半干旱地区核辐射环境影响评估和应急食物链模型提供了基础参数。

　　

Nihal Kaya|Mihriban ?ahin|Eren ?antay|Abdullah Dirican|Nam?k Kemal ?ahin

土耳其能源公司、核能与矿物研究机构、核能研究所，Saray Mah. Atom Cd. No: 27, 06980, 安卡拉, 土耳其

摘要

本研究量化并比较了土耳其两个半干旱农业地区土壤向植物转移因子（F_v）对于⁹⁰Sr和稳定Sr同位素的影响。从Sivrihisar NORM地区以及位于核电站应急保护区内的一些I?d?r农业区域收集了土壤和作物样本（小麦、大麦、三叶草、马齿苋、苹果、杏和番茄）。⁹⁰Sr的活性浓度通过低水平比例计数器测量，而稳定Sr则通过ICP-MS技术进行定量分析。转移因子（F_v）是通过浓度比得出的。结果表明，植物中的稳定Sr与⁹⁰Sr浓度之间存在显著相关性（R = 0.89，p < 0.05）。而对于土壤而言，稳定Sr与⁹⁰Sr之间没有显著相关性（R = 0.42，p > 0.05）。茎部的稳定Sr和⁹⁰Sr浓度以及F_v,Sr值高于籽粒部分，番茄和小麦的情况则相反。这些发现为半干旱气候下的环境影响评估和食物链建模提供了重要的基础参数。

引言

全球环境中主要的人为放射性核素之一是⁹⁰Sr，其物理半衰期为29年。由于其长半衰期以及与碱土金属Ca的化学相似性，放射性锶成为放射性环境监测中需要关注的主要裂变产物之一。这种放射性核素从土壤转移到植物中的过程是人类和动物群体内部暴露的主要途径。

核武器试验（主要发生在20世纪50至60年代）产生的全球沉降物是这种放射性同位素的主要来源（Langham, 1958; Hirose et al., 2008）。1986年的切尔诺贝利事故被国际原子能机构评为7级灾难性事件，大量⁹⁰Sr释放到环境中（IAEA, 2013）。放射性核素从土壤转移到植物中的过程是决定不同食品中放射性污染程度的关键因素之一。为了估算食物摄入带来的内部辐射剂量，有必要定量测定农产品中的放射性核素浓度（ICRP, 1979, 1991）。植物中的锶浓度与植物生长所在土壤中的锶浓度之比称为转移因子（F_v）。温带气候下主要农作物的F_v值已有明确数据；然而，对于某些土壤类型和气候条件（特别是半干旱和干旱气候），相关数据尚不充分（Noordijk et al., 1992; IAEA, 2006）。放射性核素在土壤中的迁移特性受多种因素影响，包括土壤性质（pH值、质地、有机质含量等）、气候、植物种类、土地利用和耕作方法（Noordijk et al., 1992, Krouglov et al., 1997; Sauras Yera et al., 1999; Fernandez et al., 2006; Schimmack et al., 2007）。国际原子能机构（IAEA）支持了大量关于各种食品中放射性核素转移因子的研究（IAEA, 2009, 2010）。尽管温带生态系统的数据较为丰富，但半干旱地区的转移因子数据仍然有限。这些地区越来越多地建设核电站（例如Akkuyu核电站），其土壤矿物组成、有机质含量和湿度水平各不相同，这些因素都会影响放射性核素的生物可利用性。

本研究仅关注⁹⁰Sr及其稳定同位素，旨在（i）为两个半干旱地区的特定植物确定具有代表性的转移因子（F_v），（ii）评估稳定同位素与放射性同位素之间的相关性，以提高在低污染条件下的预测能力。转移因子（F_v）是一个无量纲的量，通过将作物中的放射性核素活性浓度（Bq kg^?1干重）除以土壤中的活性浓度（Bq kg^?1干重）来计算，常用于估算农作物中的放射性核素活性浓度。然而，即使在小规模研究中，确定活性浓度也具有挑战性，因为⁹⁰Sr的转移因子在不同地区、不同农产品和不同气象条件下差异很大（IAEA, 2010）。

在选择用于测量锶活性的植物种类时，首先应选择本地植物。选定特定地点的农作物后，将其分为供人类消费的作物和用作动物饲料的作物是有用的。在本研究中，从第一个研究区域收集了小麦、大麦、马齿苋和杏的样本；从第二个研究区域收集了大麦、豆类、番茄和苹果的样本。根据用途将它们分类，苹果、杏、番茄和小麦籽粒属于人类消费作物，而大麦、三叶草、马齿苋以及小麦/大麦的茎部属于动物饲料。

本研究是国际原子能机构（IAEA）于2021年发起的“干旱和半干旱环境中放射性核素转移及其对放射性环境影响评估”（项目编号K41022）协调研究项目的一部分。本文评估了该项目中获得的一些分析结果。

研究区域

我们的第一个研究区域I?d?r与伊朗、亚美尼亚和阿塞拜疆接壤，位于东安纳托利亚高原（图1）。该地区也处于亚美尼亚Metsamor核电站的应急保护区内。根据柯本气候分类，I?d?r属于半干旱气候（BSk），夏季炎热干燥，冬季寒冷且全年降水量很少。I?d?r的夏季温度超过30°C，而1月份……

使用ICP-MS测定稳定Sr浓度

所有使用的化学试剂均为分析级。分析级HNO₃（65%，Merck, Supelco Emsure）通过Milestone Duopur二次蒸馏系统进一步纯化。样品制备过程中使用了H₂O₂（25% - 35%，用于超痕量分析，Sigma-Aldrich）、HCl（37%，Merck Emsure）以及Milli-Q水系统（Millipore Corporation，美国Billerica）制备的纯净水（电阻率≥18.2 MΩ）。参考物质为Montana II土壤（NIST）

结果与讨论

植物对锶同位素的吸收率受土壤物理化学性质的影响显著（IAEA, 2009, Tagami and Uchida, 2018）。表2列出了部分土壤的物理化学性质。我们第一个研究区域（I?d?r）的土壤因含沙量高被归类为砂质粘土，而第二个研究区域（Sivrihisar）的土壤因含粉砂量高被归类为粉质粘土。两个研究区域的土壤pH值在7到……之间变化

结论

我们比较了两个半干旱研究区域中土壤向作物转移因子（F_v）对于Sr和⁹⁰Sr的影响。在植物中，F_v与^{90Sr之间的相关性明显高于土壤中的相关性。茎部的F_v,Sr和F_v,Sr-90值高于籽粒部分。}

稳定Sr从土壤转移到谷物籽粒中的吸附率范围为0.6%至3.1%，而在茎部则更高，范围为6.3%至25.0%。

作者贡献声明

Nihal Kaya：研究工作、数据分析。Mihriban ?ahin：数据分析、数据管理。Eren ?antay：数据分析、数据管理。Abdullah Dirican：初稿撰写、项目监督、研究工作、数据分析、数据管理。Nam?k Kemal ?ahin：审稿与编辑。

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经所有作者同意，本文作者将上述文章的版权（包括但不限于复制、分发、信息网络传播、表演、翻译、汇编、改编等权利）转让给《综合环境评估与管理》期刊的编辑委员会，包括补充表格、插图或其他提交的信息

资助

本项工作得到了土耳其能源核能与矿物研究机构（Turkish Energy Nuclear and Mineral Research Agency）和国际原子能机构（IAEA）的支持，属于协调研究项目K41022（2021-2026）“干旱和半干旱环境中放射性核素的转移及其对放射性环境影响评估”的范畴。

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。

作者是该期刊的编委会成员/主编/副主编/客座编辑，未参与本文的审稿或发表决定。

致谢

本项工作得到了土耳其能源核能与矿物研究机构（Turkish Energy Nuclear and Mineral Research Agency）和国际原子能机构（IAEA）的支持，属于协调研究项目K41022（2021-2026）“干旱和半干旱环境中放射性核素的转移及其对放射性环境影响评估”的范畴。作者感谢Ayd?n Parmaks?z副教授和Emin Yeltepe先生的审稿贡献。