Environmental behavior of cesium and strontium in agricultural and forest soil

Abstract

Radionuclides are critical soil contaminants, particularly cesium (Cs-137) and strontium (Sr-90) are harmful due to their high radiotoxicity and metabolic similarity to major soil nutrients (e.g. K⁺, Ca²⁺) . To study the behavior of these contaminants in soil-plant systems is essential to reduce their migration into food chain. Important factors that influence the mobility and plant uptake of radionuclides include soil properties (texture, pH and organic matter), soil management practices (ploughing, disking) and the use of mineral and organic fertilizers. Biochar and digestate are the bioenergy residues that are increasing applied to improve soil properties; however their effect on critical soil contaminants (e.g. radionuclides) is scarcely investigated.<br /> Sorption-desorption behavior of Cs⁺ and Sr²⁺ in three different soils was investigated, two soils were of agricultural origin and third one from a forest site. The two organic amendments (biochar and digestate) were applied with typical field application rates (Biochar: 25 t ha^-1, digestate: 34 t ha^-1). Moreover, the sorption-desorption experiments were carried out at three temperatures (5, 20 and 35°C) to realize the effect of temperature variation. Furthermore, in a lysimeter experiment, we studied the effect of digestate amendment on plant uptake and mobility of Cs-137 and Sr-90 in a silty loam Luvisol.<br /> Sorption experiments showed that amendments with applied rates did not lead to a substantial effect on sorption-desorption of cesium and strontium in opposition to soil texture and land use. The sorption-desorption behavior of the two contaminants was different. Cesium showed highest sorption in arable silty loam soil, followed by forest sandy-clay loam and lowest in arable loamy sand. Strontium sorption was nearly half compared to cesium in all soils with higher sorption in silty loam and almost similar sorption in loamy sand and forest soils. Despite lower soil pH but most likely due to higher clay content and chemical nature of organic matter, Sr retention in forest soil was larger than in amended arable soils. Temperature variation in the range (5-35°C) did not cause a substantial effect on sorption-desorption of the two radionuclides in opposition to the soil type.<br /> Lysimeter results showed that plant uptake of Cs-137 and Sr-90 remained unaffected after digestate amendment with above mentioned applied rate. Furthermore, digestate application failed to induce any effect on vertical mobility of both radionuclides. However, dicotyledonous plant species exhibited higher uptake compared to monocotyledonous plants most likely due to difference in root structure. Hence, the choice of cultivating different plants species on contaminated soils could be helpful to reduce the risk of radionuclides mobility into the food chain.

Radionuklide sind gefährliche Bodenschadstoffe, insbesondere Cäsium (Cs-137) und Strontium (Sr-90) sind aufgrund ihrer hohen Radiotoxizität und metabolischen Ähnlichkeit zu Makronährstoffen (z.B. K⁺, Ca²⁺) schädlich (Nisbet, 1993; Alexakhin et al, 2006; Lehto und Hou, 2011). Um jedoch die Durchlässigkeit von Cs-137 und Sr-90 in der Nahrungskette zu reduzieren, ist deren Verhalten im Boden-Pflanzen-Systemen zu studieren. Wichtige Faktoren, welche die Mobilität und die Pflanzenaufnahme von RN beeinflussen, sind verschiedene Bodeneigenschaften (z.B. Textur, pH-Wert und organische Stoffe), Bodenbewirtschaftungspraktiken (z.B. Pflügen, Eggen) und der Einsatz von mineralischen und organischen Bodenzuschlagsstoffen. Jedoch wurde der vermehrte Einsatze von Resten aus der energetischen Biomasseverwertung, wie z.B. von Pflanzenkohle und Gärresten bisher kaum im Hinblick auf dessen Wirkung auf die Mobilität von RN im Boden untersucht.<br /> Daher untersuchte ich das Sorptions-Desorptions-Verhalten von Cs⁺ und Sr²⁺ in drei verschiedenen Böden, wobei zwei landwirtschaftlich und ein dritter forstwirtschaftlich genutzt wurden. Den Böden wurden die organischen Bodenzuschlagsstoffe entsprechend gängiger Praxis zugemischt. Um den Einfluss der Temperatur auf das Sorptions-Desorptions-Verhalten zu studieren, wurde die Sorptions-Desorptions-Versuche über einen Temperaturbereich von 5 bis 35°C durchgeführt. Desweiterhin wurde in einem Lysimeterexperiment die Wirkung der Gärreste auf die Mobilität von Cs-137 und Sr-90 in einem schluffig-lehmigen Boden und deren Pflanzenaufnahme studiert.<br /> Die Sorptionsstudie zeigte, dass im Gegensatz zur Bodentexture und der Landnutzung die Zugabe der beiden Bodenzuschlagsstoffe das Sorptions-Desorptions-Verhalten von Cäsium und Strontium nicht wesentlich änderte. Jedoch gab es Unterschiede zwischen den beiden RN. Cäsium wurde vom schluffigen Lehmboden stärker sorbiert als vom Waldboden und dem lehmigem Sand. Strontium wurde weniger stark sorbiert als Cäsium, jedoch auch stärker vom schluffigen Lehm als vom lehmigem Sand und dem Waldböden. Die natürlich gebildete organische Substanz im Waldboden verurschte eine höhere Sr²⁺ Retention als die organische Substanz der landwirtschaftlichen Böden. Über den gesamten Temperaturbereich von 5 bis 35°C wurden kaum Unterschiede in den Sorptions-Desorptions-Verhalten der beiden RN beobachtet. <br /> Die Lysimeterergebnisse zeigten, dass die applizierten Gärreste die Pflanzenaufnahme von Cs-137 und Sr-90 nicht erheblichen änderte. Darüber hinaus hatten die Gärreste keine Auswirkung auf die vertikale Mobilität der beiden Radionuklide, jedoch nahme zweikeimblättrige Pflanzen höhere Mengen auf als einkeimblättrige Pflanzen. Diese Unterschiede in der Aufnahme von RN können höchstwahrschiinlich auf die unterschiedlichen Wurzelstrukturen zurückzuführen. Somit könnte die Pflanzenwahl sehr bedeutend sein, um kontaminierte Böden zu kultivieren und das Risiko der Durchlässigkeit von RN in der Nahrungskette einzuschränken.