Экогеохимия голоценовых разрезов верховых болот Барабинской лесостепи Западной Сибири (Новосибирская область)

Размещено на http://www.allbest.ru/

Экогеохимия голоценовых разрезов верховых болот Барабинской лесостепи Западной Сибири (Новосибирская область)

А.Е. Мальцев

Аннотация

Получены первые данные по геохимии органического вещества (ОВ) и зольной части торфов верховых болот Барабинской лесостепи, на примере Убинского и Шерстобитовского рямов. Установлено увеличение содержания N и S вниз по разрезам, что может быть обусловлено, как изменением вещественного состава ОВ, так и аутигенным минералообразованием, в частности образованием сульфидов Fe, Сu, Zn. Установлены повышенные концентрации Hg, Pb, Cd, Sb, Cu, Zn в верхних интервалах торфа, что связано с антропогенной нагрузкой в XX и XXI веках на экосистемы верховых болот. Полученные данные по различным геохимическим критериям (коэффициенты концентрации и суммарный показатель загрязнения) показывают, что экосистема Убинского ряма подвержена техногенному загрязнению Pb, V, Sb, Co и др., которое является следствием пожаров и антропогенного воздействия. Болотные воды рямов характеризуются повышенными концентрациями Al, Fe, Cu, Zn, что обусловлено кислым составом вод, а для Cu, Zn также и антропогенным влиянием на экосистему.

Ключевые слова: верховое болото (рям), биогеохимия, водно-минеральное питание, экологическое состояние, трансформация ОВ, диагенез, химический состав атмосферных выпадений.

геохимия торф болото лесостепь

Введение

Верховые торфяные болота являются удобным объектом изучения, поскольку отражают в своем собственном развитии изменения условий окружающей среды: например, элементный химический состав торфа отражает генезис и развитие болотной экосистемы, а также загрязнение атмосферы. В настоящее время отмечается катастрофическое состояние уникальных верховых сосново-кустарничково-сфагновых болот лесостепной зоны (рямов) Барабинской лесостепи. Эти рямовые комплексы сформировались в конце суббореального периода в условиях похолодания и повышения влажности климата. В условиях глобального потепления и резкого возрастания количества экстремальных климатических событий возникла реальная угроза потери этих уникальных реликтовых комплексов болотных экосистем из-за изменения их растительного покрова и трансформации торфяной залежи, а также в связи с жестким антропогенным воздействием, таким, как пожары [1]. Широкомасштабная мелиорация рямов Барабы в первой половине ХХ века привела к значительному нарушению их естественного состояния. Обсыхание рямов и частые пожары обусловили снижение их биоразнообразия и биопродуктивности, уменьшение запасов торфа из-за его вторичного разложения и выгорания, загрязнение атмосферы, в том числе тяжелыми металлами, а понижение уровня грунтовых вод на прилегающих суходольных территориях -- их засоление и усугубило вредное воздействие периодических засух на естественные луговые и сельскохозяйственные фитоценозы. Целью работы является проведение комплексного геоэкологического мониторинга верховых болот Барабинской лесостепи.

1. Объекты исследования, материалы и методы

В сентябре 2017 г. опробованы два верховых болота Барабинской лесостепи: Убинский горелый рям, расположенный в Убинском районе Новосибирской области и Шерстобитовский рям -- в Чулымском районе. На ключевых участках этих болот выполнено геоботаническое обследование с описанием растительного покрова, микрорельефа, уровня болотных вод, бурение торфяных залежей до подстилающих грунтов, с отбором монолитов поверхностных слоев торфа, а ниже -- пробоотборочным буром БТГ-1 в 5-ти параллельных скважинах. Таким образом, получены ненарушенные голоценовые керны бурения длиной от 3 до 4 м. Выполнено радиоуглеродное датирование торфа, исследованы ботанический состав микроскопическим методом, степень разложения торфа (R, %), зольность (А, %), плотность (Р, г/дм³), влажность, определены значения pH и Eh. Использованы методы органического элементного анализа на CHNS-анализаторе для определения основных биогенных элементов торфа -- C, H, N, S; методы ионной хроматография (ХПИ-1), капилярного электрофореза и титрования для определения основного ионного состава болотных вод; атомно-абсорбционная спектроскопия с пламенной и электротермической атомизацией (ААС), атомно-эмиссионная спектроскопия с индуктивно связанной плазмой (ИСП-АЭС), масс-спектрометрический метод с индуктивно связанной плазмой (ИСП-МС) для определения микроэлементного состава торфа и болотных вод.

2. Распределение органического вещества и основных биогенных элементов

Распределение органического вещества (ОВ) и C, H, N, S по разрезам верховых болот является важным геохимическим показателем и зависит, прежде всего, от состава продуцентов ОВ, деструкции ОВ в диагенезе, от количественного привноса терригенного материала. Получены первые данные по распределению органического углерода (С_орг), органического вещества (ОВ) и основных биогенных элементов (H, N и S) по непрерывным голоценовым разрезам болотных отложений (рис. 1).

Рис. 1. Распределение по разрезу болотных отложений органического вещества (ОВ), С, H, N, S (%)

Исследованные рямы характеризуются выдержанными значениями С_орг по всей глубине разрезов, и только в нижних интервалах, там, где торфяное вещество переходит в органо-минеральные отложения (зольность > 50%) значения C_орг резко падают. Установлено увеличение концентраций N вниз по разрезам торфа, что обусловлено различием вещественного состава ОВ (смена растительного покрова, деятельность микроорганизмов, преобразование ОВ в процессе раннего диагенеза и т.д.) в нижних интервалах разрезов. Распределение H в материале торфяников также, как и C_орг, довольно выдержанно. Установлено резкое увеличение концентраций S вниз по разрезам торфа, что может свидетельствовать как об аутигенном минералообразовании сульфидов различных металлов (пирита, сульфидов Cu и Zn), так и об изменении элементного состава самого ОВ. Особенно хорошо это прослеживается в разрезе Шерстобитовского торфяника, где увеличение значений S по разрезу совпадает с увеличением значений N.

3. Геохимические особенности зольной части торфов

Установлены особенности вертикального распределения химических элементов по разрезам, возраст (средний голоцен: 4,5-5,5 тыс. лет) и стратиграфия торфов (рис. 2). Верхние интервалы торфа Убинского и Шерстобитовского рямов характеризуются повышенными концентрациями Hg, Pb, Cd и Sb, образующих летучие соединения, что связано с антропогенной нагрузкой в XX и XXI веках. Установлены повышенные значения Cu и Zn в верхних интервалах торфа Убинского ряма, что также может быть связано с антропогенной нагрузкой на экосистему. Разрезы торфов исследованных рямов характеризуются увеличением содержания Ca и Sr в средних и нижних интервалах кернов, что, по-видимому, является следствием изменения климатических условий на разных стадиях голоцена, а также изменения водного режима и обводненности верховых болот на разных этапах их развития. Установлены пиковые (локальные) увеличения концентраций Ag и Au в торфе на участках в 10-20 см по всему разрезу торфяников. Возможно, это является свидетельством особенности мхов концентрировать при жизни в клеточных стенках наночастицы благородных металлов, например серебра.

Рис. 2. Стратиграфия, возраст и распределение химических элементов по разрезам торфов. 1. Sphagnum fuscum, 2. S. teres и разнотравье, 3. ОМО, 4. древесные остатки, 5. S. magellanicum

Полученные данные по содержанию химических элементов по вертикальным разрезам позволили выявить особенности обогащения элементами торфов и сравнить их с органо-минеральными отложениями и продуцентами ОВ. Степень накопления элемента в осадках можно выразить отношением концентрации изучаемого элемента к концентрации некоторого опорного элемента, в нашем случае Al. Такое отношение называется коэффициентом обогащения (Enrichment Factor -- EF), и оно показывает степень обогащения торфа тем или иным химическим элементом относительно кларков осадочной породы -- например, глинистого сланца [2]. Коэффициент обогащения позволяет количественно оценить степень вклада автохтонной компоненты осадка по отношению к аллохтонной, а также хорошо подходит для выявления геохимических особенностей при сравнении разных типов торфов.

Коэффициент EF для торфов исследуемых рямов Новосибирской области рассчитывали по формуле [3]:

EF = (x_i/x_Al)_{образец} / (x_i/ x_Al)_{глин. сланец} ,

где, x_{i образец} -- содержание i-го химического элемента в объекте исследования; x_Al -- содержание Al в объекте исследования; x_{i глин. сланец} -- содержание химического элемента в глинистом сланце; x_{Al глин. сланец} -- содержание Al в глинистом сланце.

Верхние горизонты торфа и продуценты ОВ (мох Politrichum strictum) характеризуются сильным обогащением Hg, Pb, Cd, частично Zn, Cu (рис. 3). Отмечено обогащение всех интервалов торфа (особенно нижних) Ca и Sr, в отличие от продуцентов ОВ и органо-минеральных отложений. Установлено обогащение материала торфа Ag и Au.

Рис. 3. Коэффициенты обогащения (EF) продуцентов ОВ и разных типов торфов химическими элементами относительно кларков глинистых сланцев с предварительным нормированием на Al. ОМО -- органо-минеральные отложения (зольность > 50%)

4. Геохимия окружающей среды (экологический мониторинг)

Одним из принципиальных моментов при мониторинге загрязнения природной среды является выбор и обоснование критериев, с помощью которых оценивается степень изменения ее состояния. Традиционно об экологическом состоянии экосистем судят на основе сопоставления показателей общего валового содержания тяжелых металлов с величинами ПДК (предельно-допустимые концентрации). Однако для болотных экосистем и биологических объектов не существует разработанных ПДК. Поэтому определение степени загрязненности подобных объектов проводится путем сравнения их элементного состава с таковыми на незагрязненных (фоновых) территориях. В данной работе использованы следующие геохимические критерии [4, 5]: коэффициент концентрации, формула геохимической ассоциации и суммарный показатель загрязнения.

Коэффициент концентрации химического элемента (К_с), показывающий уровень (интенсивность) концентрирования элемента в данном компоненте в зоне загрязнения относительно его фонового содержания. Коэффициент рассчитывали по формуле:

К_с = (С_i) / (С_ф),

где C_i -- концентрация i-го химического элемента в зоне загрязнения, C_ф -- фоновое содержание этого элемента.

В качестве объекта изменения экологического состоянии болотной экосистемы был выбран Убинский рям. В исследовании сравнивалась антропогенно нарушенная пожарами часть ряма (обозначен как Убинский горелый) и компоненты биогеоценоза с болотной экосистемой этого же ряма в естественном состоянии (фоновый участок без пожаров, далее фон). Объектами сравнения по геохимическим критериям на горелом и фоновом участке были выбраны сквозные биообъекты (в пяти повторностях): мох Politrichum strictum с субстратом, лист березы и брусничник, а также подстилка и почва. Полученные данные по коэффициентам концентрации 20 химических элементов представлены в табл. 1.

Таблица 1 Коэффициент концентрации 20 химических элементов в объектах Убинского ряма

Формула геохимической ассоциации, характеризующая качественный элементный состав и структуру геохимической аномалии (состав техногенного загрязнения) и представляющая собой упорядоченную по значениям K_c совокупность химических элементов. Формула изображается следующим образом: Cd₁₁₀--As₅₁--Zn₂₃--Pb₁₁--(Cu, Co, Sb)₅--V_1,5, где цифровые индексы около символов химических элементов представляют их K_c. Для Убинского ряма геохимическая ассоциация различных сквозных объектов характеризовалась следующим составом. 1. Мох Politrichum strictum: Pb₂₄--(Al, Ве)₆--(Fe, V)₅--(Na, Li, Ni, Cr)₄--(Co, Sb, Cu, Hg)₃--(Sr, Ba)₂--(Zn, Cd, Ca, Mg, Mn, K)₁; 2. Подстилка: V₁₇₇--(Sb, Co)₅--(Ni, Fe)₄--(Pb Li Cr Ba)₃--Cu_2,5--(Cd, Sr, Zn, K, Mn, Ве, Al, Na, Hg)₂--Mg₁; Почва: Pb₄--(K, Hg)₂--(Ni, Ba, Al, Cu, Sb, Na, Li, Sr, Fe, Cr, V, Ве, Zn, Co, Cd, Mg, Mn)₁. Для брусничника и листа березы показатель геохимической ассоциации не превысил 1. Можно заключить, что основным источником техногенного воздействия и антропогенного загрязнения для Убинского ряма являются Pb, V, Sb, Co, частично Hg. Это является следствием, как пожаров, так и антропогенного воздействия на верховое болото. При этом мох (основной продуцент ОВ торфа) активнее всего концентрирует в своем составе тяжелые металлы и элементы-экотоксиканты.

Суммарный показатель загрязнения (Z_c), представляющий собой сумму коэффициентов концентрации K_c элементов (за вычетом фона), и отражающий аддитивное превышение фонового уровня группой элементов:

Z_c = ? К_с - (n-1),

где, К_с -- коэффициент концентрации i-го химического элемента, n -- число, равное количеству элементов, входящих в ассоциацию.

Полученные значения Z_c ранжировали согласно классификации [5], что позволило относить экосистемы опробованных болот к определенной категории загрязненности по ориентировочной шкале оценки уровня техногенного загрязнения и степени санитарно-токсикологической опасности. Для Убинского ряма установлен следующий суммарный показатель загрязнения (табл. 2). Мох Politrichum strictum имеет высокий уровень техногенного загрязнения (Z_c -- 61) и «опасную» степень санитарно-токсикологической опасности. Подстилка Убинского ряма имеет средний уровень техногенного загрязнения (Z_c -- 30) и «среднюю» степень санитарно-токсикологической опасности. Почва, брусничник и лист березы имеют слабый уровень техногенного загрязнения (Z_c -- от 5 до 1) и «допустимую» степень санитарно-токсикологической опасности. Исходя из этого, можно заключить, что мох и подстилка имеют максимальный уровень техногенного загрязнения, они активно концентрируют в своем составе «летучие» элементы и тяжелые металлы, а также являются хорошими индикаторами антропогенного воздействия на болотные экосистемы.

Таблица 2 Шкала оценки загрязнения экосистемы по интенсивности накопления химических элементов в различных сквозных объектах Убинского ряма

5. Химический состав болотных вод

Болотные воды Убинского ряма по преобладающим ионам [6] относятся к гидрокарбонатному классу группе кальция (рис. 4), по окислительно-восстановительным условиям -- к типу окисленных кислородных (Eh = +0,320 В, растворенный О₂ -- 6,8 мг/л), по щелочно-кислотным условиям -- к классу кислых (рН = 4,6), по величине общей минерализации (92,3 мг/л) -- к семейству ультрапресных вод [7].

Рис. 4. Долевое распределение основных ионов (экв.-%) в дождевой воде и болотных водах исследованных рямов. «-» -- расчетная погрешность (нехватка катионов или анионов)

Болотные воды Шерстобитовского ряма по преобладающим ионам [6] относятся к гидрокарбонатному классу группе кальция, по окислительно-восстановительным условиям -- к типу окисленных кислородных (Eh = +0,260 В, растворенный О₂ -- 4,7 мг/л), по щелочно-кислотным условиям -- к классу кислых (рН = 3,9), по величине общей минерализации (84,2 мг/л) -- к семейству ультрапресных вод [7]. Кислые значения pH обусловлены разложением органических веществ, приводящим к поступлению в воду CO₂, фульвокислот и других органических кислот. В этих водах легко мигрируют металлы (например, Fe -- до 1,4 мг/л) в форме бикарбонатов и комплексных соединений с органическими кислотами. Исследованным рямам присущи следующие элементно-геохимические особенности (табл. 3). Болотные воды характеризуются повышенными концентрациями Al, Fe, Cu, Zn, что обусловлено кислым составом вод, а для Cu, Zn еще и антропогенным воздействием на экосистему рямов, что подтверждают очень высокие концентрации As (0,1 мг/л) в болотных водах Убинского ряма.

Таблица 3 Элементный состав (мг/л) дождевой воды и болотных вод: 1. дождевая вода (Убинский рям), 2. болотная вода Убинского ряма, 3. болотная вода Шерстобитовского ряма

Коэффициенты концентрации химических элементов (в качестве фона взята дождевая вода) и формулы геохимической ассоциации в болотных водах исследованных рямов имеют следующие особенности -- Убинский рям: As₁₁₂--Cu_3,7--Cr_2,9--Zn_1,6--Pb_1,5; Шерстобитовский рям: Cu_17,7--Cr_1,4--Pb_1,1--As₁--Zn_0,7. Установлен следующий суммарный показатель загрязнения для болотных вод: Убинский рям имеет очень высокий уровень техногенного загрязнения (Z_c -- 118) и «очень опасную» степень санитарно-токсикологической опасности (в основном за счет высоких концентраций As). Болотные воды Шерстобитовского ряма имеют средний уровень техногенного загрязнения (Z_c -- 18) и «среднюю» степень санитарно-токсикологической опасности.

Библиографический список

1. Наумов А.В. Верховые болота лесостепной зоны, их состояние и мониторинг / А.В. Наумов, Н.П. Косых, Е.К. Паршина, С.Ю. Артымук // Сибирский экологический журнал. -- 2009. -- № 2. -- С. 251-259.

2. Li Y. Distribution patterns of the elements in the ocean: A synthesis / Y. Li // Geochim. et. Cosmochim. Acta. -- 1991. -- V. 55. -- P. 3223-3240.

3. Shotyk W. Two thousand years of atmospheric arsenic, antimony and lead deposition in an ombrotrophic bog profile, Jura Mountains, Switzerland / W. Shotyk, A.K. Cheburkin, P.G. Appleby // Earth and Planetary Scien. Letter. -- 1966. -- V. 145. -- P. 1-7.

4. Сает Ю.Е. Геохимия окружающей среды. / Ю.Е. Сает, Б.А. Ревич, Е.П. Янин -- М.: Недра, 1990. -- 335 с.

5. Янин Е.П. Техногенные геохимические ассоциации в донных отложениях малых рек (состав, особенности, методы изучения). / Е.П. Янин -- М.: ИМГРЭ, 2002. -- 52 с.

6. Алекин О.А. Основы гидрохимии. / О.А. Алекин -- Л.: Гидрометеоиздат, 1970. -- 444 с.

7. Перельман А.И. Геохимия природных вод. / А.И. Перельман -- М.: Наука, 1982. -- 154 с.

Размещено на Allbest.ru