全 文 ：文章编号 :100028551 (2008) 052693204
60 Co在小麦 - 土壤系统中的消长动态
赵希岳1 　蔡志强1 　潘剑波1 　王寿祥2
(11 江苏工业学院化学工程系 ,江苏 常州　213016 ; 21 浙江大学原子核农业科学研究所 ,浙江 杭州　310029)
摘 　要 :采用模拟污染物的核素示踪技术研究了60 Co在小麦 - 土壤系统中的迁移、消长和分配动态 ,并建
立了其行为规律的数学模型。结果表明 : (1) 60 Co由表土进入系统后即在系统中发生迁移 ,小麦主要经
根部吸收60 Co ,然后向其他各部位转移和分配。小麦植株中60 Co 比活度起初随时间迅速增高 ,达到某一
最大值后开始下降。根中60 Co比活度显著高于植株其他部位 ,小麦各部位中60 Co比活度的大小顺序为 :
麦根 > 麦秸 > 麦壳 > 麦粒 ; (2)土壤中60 Co 主要滞留于表层 6cm 内 ,其比活度与距土表深度呈单项指数
负相关 ; (3) 60 Co 在小麦 - 土壤系统中比活度的动态变化规律由多项指数描述 ; (4) 小麦对土壤中的60 Co
具有一定的富集能力。
关键词 :60 Co ;小麦 ;迁移与分布 ;分室模型 ;放射生态学
DYNAMICS OF ACCUMULATION AND DISAPPEARANCE OF COBALT260 IN WHEAT2SOIL SYSTEM
ZHAO Xi2yue1 　CAI Zhi2qiang1 　PAN Jian2bo1 　WANG Shou2xiang2
(1. Department of Chemical Engineering , Jiangsu Polytechnic University , Changzhou ,Jiangsu 213016 ;
2. Institute of Nuclear Agricultural Sciences , Zhejiang University , Hangzhou , Zhejiang 310029)
Abstract :The dynamics of transportation , accumulation , disappearance and distribution of 60 Co in the wheat2soil system was
studied by using isotope2tracer techniques for simulated pollutants , and the mathematical model of the behavior was
established. Rescilts showed that (1) 60 Co was transported rapidly in the system after the application on soil surface layer. The
uptake of 60 Co by wheat was mainly via root , and redistribution in all parts of wheat occurred consequently. The concentration
in root was much higher than that in other parts of wheat plant . The specific activity of 60 Co in wheat plant rapidly increased to
a maximum value , then decreased. The specific activity of 60 Co in each part of wheat plant was found in the order of root >
straw > husk > seed. (2) 60 Co is mainly detained with in 6cm of soil surface , and specific activity of 60 Co in soil present a
simple exponential declining with depth of soil . (3) The dynamic law can be described as multinomial exponential function of
concentration in the wheat2soil system. (4) The wheat plant has certain ability to accumulate 60 Co from soil .
Key words :60 Co ; wheat ; migration and distribution ; compartment model ; radioecology
收稿日期 :2007212218 　接受日期 :2008203217
基金项目 :国家自然科学基金资助项目 (39970147) ;江苏省环境保护厅资助项目 (2003076)
作者简介 :赵希岳 (19652) ,男 ,江苏泰州人 ,博士 ,副教授。主要从事生物工程、同位素示踪和放射生态学研究。E2mail : xyzhao @jpu. edu. cn　　研究核电站放射性排放物在生态环境中的行为特性是一个相当活跃的学科领域。放射性钴是压水堆核电站主要的放射性液态流出物 ,其排出的放射性钴中有58 Co和60 Co两种核素 ,因60 Co毒性较大 ,半衰期较长(5127a) ,γ射线能量高 (平均 1125MeV) ,而更具有环境毒理学意义[1 ,2 ] 。本试验采用核素示踪技术研究60 Co 进入土壤后 ,在小麦2土壤系统中的迁移和消长的动态变化规律和小麦对土壤中60 Co的富集性 ,以探明其在作物生态系统中的行为 ,旨在评价放射性钴可能对环境产生的影响 ,为其进入生态环境中的安全性评价提供科学依据。
396　核 农 学 报　2008 ,22 (5) :693～696Journal of Nuclear Agricultural Sciences
1 　材料与方法
111 　供试材料
11111 　供试60 Co 　由中国原子能科学研究院提供的
60 Co为直径 1mm 高 2mm 的钴粒 ,其比活度 (厂家标称
值)为 3119 ×107BqΠmg (1996210229 ,下同) 。使用前用
013molΠL HCl 转化为60 CoCl2 [3 ] ,并配制成比活度为 6151
×105BqΠml 的60 CoCl2 水溶液备用。
11112 　供试土壤 　采自浙江大学华家池校区农场的
土壤 ,系小粉土[4 ] 。其理化性质参见文献[4 ] 。
112 　试验方法
在 27 只直径 20cm 深 20cm 的塑料花盆中盛土
510kg。装土前 ,每份土均匀拌入 2g (NH4 ) 2 SO4 、3g
KH2 PO4 作基肥。2000 年 11 月 23 日 ,每盆播种 20 粒
小麦 (扬麦 5 号) ,出苗后保留分布较为均匀的 15 株麦
苗。每种处理 3 个重复。在小麦的生长过程中适时施
肥浇水 ,试验花盆置于露天网室中。
于 2001 年 3 月 22 日、4 月 1 日、4 月 11 日、4 月 21
日、4 月 30 日、5 月 9 日、5 月 14 日、5 月 17 日、5 月 20
日将60 CoCl2 溶液分别引入试验花盆。将60 CoCl2 水溶
液 1100ml (比活度为 219435 ×105BqΠml) 用水稀释成
100ml 后均匀浇灌于盆土表面 ,再各用 100ml 水清洗容
器 4 次 ,也浇灌于盆土表面 ,每次三盆 ,其他两盆重复
上述操作。故盆土中60 Co的初始比活度为 58187BqΠg。
于小麦成熟时 (5 月 23 日)一次性收获。
113 　采样
收获时 ,首先用半筒式不锈钢取土器沿花盆纵向
取分布均匀的 3 个土柱 ,将土柱横向均等分割成 7 段 ,
每段约 2cm ,烘干后分别将各段层土壤粉碎 ,充分拌匀
后称 20g 分别装入测样杯中待测量。然后收割小麦地
上部分 ,将其分为茎叶、颖壳和籽粒等部分 ;再拨出麦
根 ,清水冲洗后用吸水纸吸去表面水分。分别称重 ,剪
碎后取 20g (样品量少的部位减量) 装入自备的直径
75mm 高 110mm 的一次性塑料测样杯中。
114 　实验仪器及测量方法
用北京核仪器厂生产的 BH1224 型微机2多道一体
化能谱仪测60 Co发射的γ射线。该谱仪配置倒置的直
径为 70mm NaI 的闪烁探头 ,安装在铅屏蔽室中。测样
器皿采用自备的上述一次性塑料测样杯 ,将其置于闪
烁探头上面 ,并用自制的定位装置固定测量位置 ,以保
证所有样品测量几何位置的一致性。探头工作电压
623V ,阈值 0128。选取一个谱峰 (240～300 道) (由测
量方法学试验确定)进行计数测量 ,测量结果经探测效
率、死时间、衰变等校正后换算成样品的放射性比活
度 ,测量误差控制在 5 %以内。
2 　结果与讨论
211 　60 Co在小麦 - 土壤系统中的迁移和分配动态
土壤及小麦各组分中60 Co比活度测定结果见表 1。
整株小麦中的比活度按其各部位中的比活度加权平均
而得[5 ] ;土壤的比活度指全土平均 ,时间指距收获的时
间间隔 (下同) 。
由表 1 可见 ,土壤中60 Co的比活度随时间而降低 ,
这与小麦不断地从土壤中吸收60 Co有关 ,但浇灌和雨
水的不断淋溶使部分60 Co损失也是重要原因。小麦植
株中的比活度先较快地增大 ,到距收获 23d 时达最大 ,
然后缓慢地降低。且在整个生长期小麦植株中的比活
度均高于其在土壤中的平均比活度。
表 1 　60 Co在小麦 - 土壤系统各组分中鄙活度的动态变化
Table 1 　The dynamics of 60 Co specific activity in wheat2soil system (BqΠg)
时间
time (d)
土壤
soil
小麦植株 wheat plant
根 root 茎叶 straw 颖壳 husk 籽粒 seed 整株 whole plant
3 52111 ±5. 89 229186 ±9. 02 36102 ±3. 64 1141 ±0. 09 0122 ±0. 00 57189 ±4. 85
6 50196 ±5. 33 438132 ±9. 44 88137 ±6. 46 2147 ±0. 20 0133 ±0. 00 67153 ±4. 74
9 47169 ±4. 38 657174 ±11. 61 109171 ±6. 93 3120 ±0. 50 1123 ±0. 00 70102 ±5. 97
14 46181 ±4. 39 887106 ±14. 95 112104 ±7. 97 3186 ±0. 78 2158 ±0. 50 85161 ±5. 76
23 45198 ±3. 99 894149 ±17. 18 182150 ±12. 86 3179 ±0. 95 2141 ±0. 20 121105 ±6. 53
32 43159 ±2. 61 784138 ±13. 74 141159 ±12. 81 3159 ±0. 93 1198 ±0. 00 114114 ±6. 11
42 41167 ±1. 54 776120 ±12. 36 118119 ±10. 93 3172 ±0. 91 2108 ±0. 00 91165 ±5. 03
52 34147 ±1. 63 447132 ±10. 11 117183 ±10. 76 5108 ±0. 90 3135 ±0. 80 88117 ±5. 45
62 32118 ±1. 50 447160 ±10. 88 116179 ±9. 60 5143 ±0. 99 3159 ±0. 90 80132 ±5. 40
注 :时间指距收获的时间间隔。
Note :Time means the import of the 60Co apart from the interval of gain time.
496 核　农　学　报 22 卷
　　土壤对60 Co的吸附能力与土壤 pH 的值、有机质、
阳离子交换量 (CEC) 、粘粒含量及土壤中的电荷等诸
多因素有关。土壤 pH 值增加 ,吸附量增加 ,土壤负电
荷较多时对阳离子吸附量增加 ,有机质含量高有利于
土壤吸附离子 ,粘粒含量越高 ,CEC 越大 ,土壤表面积
越大 ,对60 Co的吸附能力就越强[6 ,7 ] ,其中又相当一部
分因素是相互影响的 ,这使得土壤的吸附过程较为复
杂。土壤对60 Co吸附能力的强弱就是这些因素综合作
用的结果。
60 Co以二价钴离子溶液形式从土壤引入后 ,在系
统中较迅速地被土壤所吸附、固定 ,与其他离子发生离
子交换、螯合 ;部分与小麦根系中的离子发生离子交
换 ,被根系吸附 ;另有部分以离子形式随着水分进入小
麦体内 ,参与植物的新陈代谢。由于离子差的存在 ,部
分以离子形式存在于植物体内的钴参与植物与土壤的
离子交换 ,但由于供试土壤呈酸性 (pH610) ,浇水和降
雨能促进钴化合物的溶解 ,使得含亲水性基团的水分
子腐殖质不易凝聚 ,与钴形成可溶性有机螯合物 ,加重
了60 Co淋溶迁移 ,致使小麦植株不断地通过其根部从
土壤中摄取60 Co ,从而形成了60 Co在小麦植株中的积
累。
小麦植株从土壤中吸收的60 Co主要集中在根部 ,
且根部中的60 Co比活度起初随时间的增加而增加 ,在
一定时间 (约 23d) 后达到最大 ,而后有所降低。小麦
植株的不同部位对60 Co的富集量有很大差异 ,这是因
为各类器官的结构和功能不同 ,与60 Co接触时间的长
短、接触面积的大小等也都存在很大差异。小麦各部
位的比活度为根系 > 茎叶 > 颖壳 > 籽粒 ,这符合放射
性钴在植株中分布的一般规律[8～10 ] 。
212 　小麦对放射性钴的富集
小麦对放射性钴的富集 ,通常用富集系数表征 ,定
义为小麦植株中60 Co比活度与同一时刻土壤中60 Co比
活度之比。整株小麦植株对土壤中60 Co的 富集系数
(CF)值与时间的关系见表 2。
表 2 数据表明 ,小麦植株对土壤中的60 Co具有一
定的富集作用。小麦植株的 CF 值距收获 3d 时为
1111 ,至 6d 时为 1133 ,62d 为 2150 ,其中在 23d 时最大
为 2163 ; 同样可算出麦粒的 CF 值皆大于 3d 时的
010042 ,62d 最大约为 011116。
213 　60 Co在小麦 - 土壤系统中的迁移模型
根据分室模型原理 ,小麦 - 土壤系统可视为由土
壤和小麦组成的 2 个分室系统。由于试验在露天进
行 ,浇灌和雨水使系统内的60 Co造成一定的损失 ,故应
为开放二分室系统[11～16 ] (图 1) :
通常认为 ,示踪剂 (60 Co) 的迁移服从一级速率过
程 ,令60 Co由土壤向小麦的迁移速率为 k12 ,因雨水淋
溶而致60 Co损失的速率为 k1 ,60 Co由小麦向土壤迁移的
速率为 k21 ,通常将它们视为常数 ; qi 、Ci 和 mi 分别表
示第 i 分室中60 Co的量 (Bq) 、比活度 (BqΠg) 和质量 (g) ,
则各分室中60 Co的量对时间变化率的微分方程为 :
表 2 　小麦植株的60 Co CF值与时间的关系
Table 2 　The relationship between 60 Co CF value
of wheat plant and time
时间 Time (d) 富集系数 CF
3 1111
6 1133
9 1147
14 1183
23 2163
32 2162
42 2120
52 2156
62 2150
土壤
Soil
qi , m1 , C1
　k1
k12
k21
小麦
Wheat
qi , m2 , C2
图 1 　开放二分室模型
Fig. 1 　An open two compartment model
d q1
d t = k21 q2 - ( k12 + k1 ) q1
d q2
d t = k12 q1 - k21 q2
解得 :
q1 =
q1 ,0 - ( a - k21 ) + k2 q2 ,0
a - b e
- at
+
q10 ( k21 - b) + k2 q2 ,0
a - b e
- bt
q2 =
q1 ,0 k12 + q2 ,0 ( k12 + k1 - a)
b - a e
- at
+
q1 ,0 ( k12 + k1 - b)
b - a e
- bt
式中 : ab = k1 k21 , a + b = k12 + k21 + k1 ; q1 ,0 、q2 ,0分别表
示 t = 0 时相应分室中60 Co的量 ,但是 q2 ,0 = 0。于是在
注意到 qi = mi ci 之后 ,便得到相应分室中60 Co随时间
变化的表达式 :
C1 =
C1 ,0
b - a [ ( k21 - a) e
- at
+ ( b - k21 ) e - bt ]
C2 =
m1 C1 ,0 k12
m2 ( b - a) (e
- at
- e
- bt )
根据初始条件 t = 0、C1 ,0 = 58187BqΠg、C2 ,0 = 0 ,质量数
596　5 期 60Co在小麦 - 土壤系统中的消长动态
据 m1 = 510kg、m2 = 70～90g ,以及表 1 的数据 ,经计算
机拟合得 (d - 1 ) : a = 010148 , b = 011486 , k12 = 010070 ,
k21 = 011418 , k1 = 010146 ,由此得到60 Co在小麦 - 土壤
系统各分室中的迁移模式为 :
C1 = 5518781e - 010148 t + 219919e - 011486 t C2 = 310799 m1m2 (e - 010148 t - e011486 t )214 　60 Co在土壤中的垂直分布动态60 Co在土壤中的比活度随土壤深度及时间的动态变化如表 3 所示。
表 3 　60 Co在土壤中的垂直分布
Table 3 　The vertical distribution of 60 Co in the soil
时间
time (d)
土壤深度 depth of soil (cm)
0～2 2～4 4～6 6～8 8～10 10～12 12～14
3 20312 7714 1519 313 214 110 019
6 19817 7613 1616 1014 218 111 111
9 18713 6612 1814 1215 217 112 115
14 17812 6411 1813 1418 215 111 214
23 15914 6819 1417 912 217 213 216
32 14219 6915 3210 2011 710 119 117
42 13415 6318 1515 1118 415 117 115
52 10615 6116 3915 1418 715 111 016
62 9919 5411 3210 2211 1111 211 118
　　表 3 表明 ,虽然60 Co是由土壤表面引入 ,而土壤对
其吸附又较强 ,但由于土壤溶液的淋溶等作用 ,表层土
壤中的60 Co仍然有少量向下层迁移。时间长 ,迁移得
多 ,同时由于盆底部的滞留 ,致使最底层60 Co的比活度
往往高于上一层。对同一处理 (即同一时间) ,随土壤
深度的增加 ,60 Co比活度急速下降 ,90 %以上的60 Co集
中于表层 6cm。回归分析表明 ,土壤中60 Co比活度 A
(BqΠg)与距表层深度 x (cm) 呈极显著的单项指数负相
关。对不同的时间处理 ,土壤中的60 Co比活度与土壤
深度的关系如表 4 所示。
表 4 　60 Co在土壤中垂直分布的回归方程
Table 4 　The regressive equation for vertical distribution
of 60 Co in the soil
时间
time (d)
回归方程
Regressive equation R
2
3 y = 36210e - 019588 x 019390
6 y = 39416e - 019231 x 019666
9 y = 34311e - 018722 x 019520
14 y = 29716e - 018229 x 019020
23 y = 22215e - 017444 x 019058
32 y = 34010e - 017862 x 019790
42 y = 25111e - 017848 x 019725
52 y = 40319e - 019018 x 019585
62 y = 24417e - 017002 x 019523
3 　结论
311 　小麦根部能吸收土壤中的60 Co ,通过茎输送到叶
和麦粒。60 Co在小麦中的比活度 ,以根为最高 ,麦秸次
之 ,然后是麦壳 ,麦粒中最低。
312 　小麦植株对土壤中的60 Co具有一定的富集能力 ,
其 CF 值最大为 2163 ;而颖壳、籽粒对60 Co的 CF 值皆小
于 1 ,即颖壳、籽粒没有富集能力 ,这在评价它们的安
全性时具有重要意义。
313 　60 Co由表土进入系统后即在系统中发生迁移 ,土
壤中60 Co主要滞留于表层 6cm 内 ,其比活度与距土表
深度呈单项指数负相关。
313 　采用开放二分室模型和非线性回归方法进行
60 Co在小麦2土壤系统中的消长动态拟合 ,经方差分析 ,
表明各回归方程较好地反映了60 Co在小麦2土壤系统中
的比活度动态变化规律。这不仅较好地描述了本试验
结果 ,而且可做出预测。
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