Эколого-геохимические исследования заболоченной территории Западной Сибири

термофореза, когда атмосферные потоки с частицами аэрозольной пыли и микрофлорой движутся в направлении зон пониженной температуры, повышенной влажности и осаждаются там [1]. Болота способны ассимилировать в среднем до 300 кг/га пыли, частично осуществляя минеральное питание растений при одновременном очищении атмосферы [2]. Являясь геохимическими барьерами, болота в естественном состоянии способны накапливать загрязняющие вещества в торфяной залежи и отдавать их при нарушении структуры ландшафта в условиях техногенеза. Кроме того, даже в естественном состоянии образующиеся в торфяной залежи гуминовые вещества способствуют миграции некоторых элементов (тяжелые металлы) в водных растворах с образованием комплексных соединений [3].

Совокупность всех проблем данной территории в целом определяет неблагоприятные условия жизни человека и определяет необходимость комплексного регионального исследования, нацеленного на получение максимально детальной и объективной оценки ландшафтногеохимических особенностей территории, и воздействий техногенеза на окружающую среду. Основной задачей исследований являются комплексные оценки вещественно-динамического состояния болотных геосистем, прогноз и анализ их изменений под влиянием естественных и антропогенных факторов для реабилитации нарушенных ландшафтов, их охраны и оптимизации.

Цель работы: изучение особенностей химического состава торфов Томской области.

Объект и методика исследований . Исследования химического состава торфов проводились на 9 типичных болотных массивах в границах Томской области в рамках экспедиционных исследований в 2011 г.:

• 1.    Кустарничково-травяное верховое болото на второй надпойменной террасе р. Кеть.

• 2.    Сосново-кустарничково-сфагновое комплексное болото на второй надпойменной террасе р. Кеть.

• 3.    Сосново-кустарничково-сфагновое верховое болото на первой надпойменной террасе р. Кеть.

• 4.    Травяно-ивовое низинное болото в пойме р. Обь (Обское болото).

• 5.    Березово-травяное низинное осушенное болото в пойме р. Томь (Кандинское болото).

• 6.    Разнотравно-злаковое низинное осушенное болото (болото Таган) на второй надпойменной террасе р. Томь.

• 7.    Травяное низинное болото в пойме р. Кеть.

• 8.    Кустарничково-травяно-гипновое низинное болото в пойме р. Обь.

• 9.    Травяное низинное болото на надпойменной террасе р. Обь (Аркадьевское болото).

Методика исследований включала в себя оценку средних концентраций элементов в верховых и низинных торфах, сравнительный анализ содержания веществ в торфяной залежи исследуемых болот и почвах мира. Для изучения направленности процессов накопления (концентрации) или рассеяния (выноса) элементов, происходящих в ходе торфогенеза, проводилось определение кларков концентрации (КК) веществ по соотношению среднего содержания элементов в торфе и почвах мира.

Результаты и их обсуждение. Различают два типа биогеохимических ситуаций торфооб-разования. Первый отвечает условиям, в которых формируются верховые болота и основными растениями-торфообразователями являются сфагновые мхи. Второй – эвтрофными биогеохимическими условиями, когда в результате торфообразовательного процесса образуются низинные болота [4]. Происходящие в верховых болотах биогеохимические циклы массообмена определяются атмосферной миграцией потоков химических элементов. По этой причине М.А. Глазовская [4] верховые торфяники именует элювиальными, геохимическими автономными ландшафтами, в которых содержание элементов подчинено в большей степени климатическим факторам. Низинные торфяники выполняют роль аккумулятивных геохимически подчиненных ландшафтов.

Проведенные авторами исследования показали, что верховые торфа характеризуются низкой зольностью от 0,4% (кустарничковотравяное верховое болото) до 10,6% (сосново-кустарничково-сфагновое верховое болото). В среднем зольность торфов равна 2,9%, что соответствует типовой принадлежности. Наибольшим средним значением характеризуется сфагново-мочажинный торф (4,6%), а наименьшим – пушицево-сфагновый (1,5%). Комплексный и фускум торфа имеют промежуточные значения (3,3 и 2,0% соответственно). В низинных торфах зольность изменяется от 4,3% (травяное низинное болото) до 13,1% (травяно-ивовое низинное болото). Максимальная зольность отмечается для древесного вида (9,8%) и снижается в следующем ряду древесно-осоковый (9,4%) – осо-ково-гипновый (7,9%) – осоковый виды торфа (6,9%).

а)

б)

Рис. 1. Содержание химических элементов в торфах верхового типа разного ботанического состава, мг/кг с.в.: а) Ca, Fe; б) Br, Sr, Ba

Результаты изучения элементного состава торфов разного ботанического состава показали, что распределение химических элементов зависит от вида торфа (рис. 1, 2). Так, например среднее содержание Ca в пушицево-сфагновом, комплексном и фускум торфах практически одинаково (2300-2400 мг/кг), несколько выше – в сфагново-мочажинном торфе (3400 мг/кг). Пушицево-сфагновый, комплексный и фускум торфа характеризуются близкими средними значениями Sc (0,54-0,76 мг/кг), Cr (1,57-1,83 мг/кг), Hf (0,11-0,12 мг/кг), La (0,47-0,65 мг/кг). Несколько выше содержание Hf и La (0,17 и 0,94 мг/кг соответственно) отмечается в сфагновомочажинном торфе.

Практически одинаково среднее содержание Eu (0,06-0,07 мг/кг) во всех исследуемых видах торфов, за исключением пушицевосфагнового, в котором содержание Eu в среднем составляет 0,11 мг/кг. Среднее содержание Br в пушицево-сфагновом и комплексном торфах практически не отличается (9,00 и 9,64 мг/кг соответственно); самое высокое его содержание обнаружено в сфагново-мочажинном торфе (13,30 мг/кг), а самое низкое – в фускум (4,42 мг/кг). Пушицево-сфагновый и фускум торфа характеризуются близкими значениями по содержанию Sr (48,0 и 46,10 мг/кг соответственно).

а)

б)

в)

Рис. 2. Содержание химических элементов в торфах верхового типа разного ботанического состава, мг/кг с.в.: а) Cr, Co, Ce; б) Sc, Hf, Th, Cs, Sm, La, Eu; в) Yb, Lu, U. Данные по содержанию Yb, Lu, U в сфагново-мочажинном торфе отсут- ствуют

По результатам исследований на кустарничково-травяном верховом болоте наблюдается наибольшее накопление Ba (131 мг/кг), Ce (6 мг/кг), Sc (1,6 мг/кг) и Th (1,2 мг/кг), а также характеризуется наименьшим содержанием Sr (12,5 мг/кг) и Eu (0,03 мг/кг). На сосново-кустарничково-сфагновом комплексном болоте отмечается максимальное содержание Co (2,98 мг/кг), Sm (0,69 мг/кг), и минимальное содержание Ba (38 мг/кг). На сосново-кустарничковосфагновом верховом болоте в фускум торфе содержится наименьшее количество Br (3,5 мг/кг), Co (0,1 мг/кг), La (0,07 мг/кг), Sm (0,001 мг/кг) и наибольшее Cr (3,4 мг/кг).

Распределение химических элементов в торфах разного ботанического состава низинного типа имеет более равномерный характер по сравнению с верховыми (рис. 3-4). Все исследуемые торфа характеризуются равномерным распределением содержания Sc, Fe, Br, Sr, Ba, La, Eu, вместе с тем среднее содержание Са, Cr, Co, Br, Hf, Ce, Sm, Th изменяется в зависимости от вида торфа. Следует отметить, что некоторые элементы не содержатся в том или ином виде торфа. Так, например, Yb, Lu, U не обнаружены в осоковом торфе; в древесно-осоковом – U; в осоково-гипновом – Yb и Lu. Следует отметить, что подавляющее большинство исследуемых химических элементов накапливаются в древесном торфе. Древесно-осоковый торф отличается самым высоким содержанием Sr, Ba, Ce, Sm и U; но меньшим – Ca, Sc, Cr, Fe, Co, La, Eu, Th по сравнению с древесным торфом. Вместе с тем необходимо отметить, что древесно-осоковый торф характеризуется самым низким содержанием Br и Hf по сравнению с остальными рассматриваемыми торфами. Осоковый торф, как и древесный, содержит в высоких концентрациях Fe, и несколько ниже концентрация Ba. Осоково-гипновый торф содержит больше, чем другие торфа Co, Br и Hf; несколько ниже Ca, Sc, Cr, Sr, Sm и Th по сравнению с вышерассмотренными торфами. Таким образом, низинные торфа, по способности накапливать химические элементы можно расположить в следующий ряд: древесный – древесно-осоковый – осоково-гипновый – осоковый.

oil 5000

^10000

E 5000

Рис. 3. Содержание химических элементов в торфах низинного типа разного ботанического состава мг/кг с.в.: а) Ca, Fe; б) Br, Sr, Ba

По результатам исследований на травяноивовом низинном болоте в древесном торфе обнаружилось наибольшее содержание Ca (22340 мг/кг), Fe (25430 мг/кг), Cr (6,8 мг/кг), La (2,7 мг/кг), Sc (2,1 мг/кг), Hf (0,48 мг/кг), Eu (0,23 мг/кг) и Th (0,89 мг/кг). На березово-травяном низинном осушенном болоте отмечается максимальная концентрация Ba (186 мг/кг) и Sm (0,78 мг/кг). Когда как на разнотравно-злаковом низинном осушенном болоте отмечается минимальной концентрацией Fe (4168 мг/кг), Br (27,4 мг/кг) и Eu (0,018 мг/кг). На травяном низинном болоте в осоковом торфе содержится наименьшее количество Ca (12610 мг/кг), Sr (63 мг/кг), Cr (1,09 мг/кг), Co (0,28 мг/кг), Sc (0,12 мг/кг), Sm (0,141 мг/кг) и Th (0,07 мг/кг). Кустарничково- травяно-гипновое низинное болото характеризуется наибольшим содержанием Br (63 мг/кг); травяное низинное болото – наименьшим Ba (6,8

в)

Рис. 4. Содержание химических элементов в торфах низинного типа разного ботанического состава мг/кг с.в.: а) Cr, Co, Ce, La; б) Sc, Hf, Th, Cs, Sm, Eu; в) Yb, Lu, U. данные по содержанию

Yb, Lu, U в осоковом торфе отсутствуют

Следует отметить, что содержание элементов в торфах по сравнению с почвами мира ни-жекларковое, за исключением Вг, содержание которого в торфах выше. Особенно низкими содержаниями в торфах по сравнению с почвами характеризуются Sc, Сг, Fe, Cs, La, Се, Sm, Eu,

Yb, Lu, Th, U, КК которых не превышают 0,07, а для Са, Со, Sr, Ва, Hf изменяются от 0,1 до 0,2 (рис. 5).

Рис. 5. Кларки концентрации химических элементов в верховых торфах

По сравнению с кларками почв мира, низинные торфа, как и верховые, имеют нижеклар-ковые содержания элементов (рис. 6). Исключением является Вг и Са, содержание которых выше в торфах по сравнению с почвами. Близки к кларковому содержание Со и Sr (КК=0,9). Низкими концентрациями характеризуются элементы Cs, La, Се, Sm, Yb, Lu, Th, их КК колеблются от 0,002 до 0,08. Кларки концентрации Sc, Ва и U изменяются от 0,1 до 0,6. Расчеты кларков концентрации элементов в торфах относительно их содержания в почвах мира показало, что элементы по интенсивности накопления, как в верховых, так и в низинных торфах можно условно разделить на 3 группы, что в целом согласуется с результатами в работе [5]. В первую группу входит только Вr. Ко второй группе относятся элементы, концентрация которых относительно почв мира на 2 порядка ниже. В верховых торфах ее формируют Sr и Ва, а в низинных к их числу добавляются Са, Fe, Со, U. Третью группу формируют элементы, концентрации которых на два порядка ниже по сравнению с почвами Sc, Сг, Cs, Hf, La, Се, Sm, Eu, Yb, Lu, Th.

Рис. 6. Кларки концентрации химических элементов в низинных торфах исследуемых болот

Выводы: торфа, в отличие от минеральных почв, состоят из полуразложившихся растительных остатков и поэтому содержат до 98% органического вещества, которому и принадлежит основная роль в связывании химических элементов. Результаты изучения элементного состава торфов показали, что распределение химических элементов зависит от вида торфа. Подавляющее большинство исследуемых химических элементов накапливаются в древесном торфе. Древесно-осоковый торф отличается самым высоким содержанием Sr, Ba, Ce, Sm и U; но меньшим – Ca, Sc, Cr, Fe, Co, La, Eu, Th по сравнению с древесным торфом. Среди верховых торфов пушицево-сфагновый, комплексный и фускум-торф характеризуются средним содержанием Ca, несколько выше его содержание – в сфагново-мочажинном торфе. Пушицевосфагновый, комплексный и фускум торфа характеризуются близкими средними значениями Sc, Cr, Hf, La, несколько выше отмечается содержание Hf и La в сфагново-мочажинном торфе. Практически одинаково среднее содержание Eu во всех исследуемых видах торфов, за исключением пушицево-сфагнового, в котором содержание Eu в среднем составляет 0,11 мг/кг. Среднее содержание Br в пушицево-сфагновом и комплексном торфах практически не отличается, самое высокое его содержание обнаружено в сфагново-мочажинном торфе, а самое низкое – в фускум. Пушицево-сфагновый и фускум торфа характеризуются близкими значениями по содержанию Sr.

Сравнение содержания химических элементов в торфах и минеральных почвах показало, что в торфах наблюдаются специфические закономерности концентрирования и рассеяния элементов. Так, содержание химических элементов, как в верховых, так и в низинных торфах ниже по сравнению с почвами мира, за исключением Вr, концентрация которого в торфах выше (особенно в низинных торфах). В верховых торфах кларки концентрации ниже по сравнению с низинными и, особенно, это прослеживается по элементам Fe, Sc, Sr, Са, U. Такое положение является вполне закономерным и логичным, поскольку верховые торфа, во-первых, характеризуются более низким содержанием элементов по сравнению с низинными, а во-вторых, их накопление зависит исключительно от баланса поступления и выноса веществ, который может сильно варьировать в зависимости от геохимической принадлежности территории.

Низинные торфа по сравнению с кларками почв содержат в вышекларковых концентрациях не только Вr, но и Са, Fe, а также к кларковому значению близка концентрация Sr. Содержание элементов Hf, La, Се, Sm, Eu, Yb, Lu, Th, U в верховых и в низинных торфах на 2-3 порядка ниже по сравнению с почвами мира. Расчеты кларков концентрации элементов в торфах относительно их содержания в почвах мира показало, что элементы по интенсивности накопления, как в верховых, так и в низинных торфах делятся на

3 группы. В первую группу входит только Вr. Ко второй группе относятся элементы, концентрация которых относительно литосферы на 2 порядка ниже. В верховых торфах ее формируют Sr и Ва, а в низинных к их числу добавляются Са, Fe, Со, U. Третью группу формируют элементы, концентрации которых на два порядка ниже по с равнению с литосферой. Это элементы: Sc, Сг, Cs, Hf, La, Се, Sm, Eu, Yb, Lu, Th.

Таким образом, для торфов характерен свой специфический набор накапливаемых элементов в отличие от почв и литосферы, своеобразие накопления и рассеяния элементов в торфах определяется принадлежностью их к биогенным телам природы, находящимся в геохимическом сопряжении с биокосными телами, такими как почвы, и косными образованиями, которыми являются почвообразующие породы [4]. Поэтому это особенно важно учитывать при оценке экологического состояния, определении и нормировании интенсивности антропогенной нагрузки на сильнозаболоченных территориях Западной Сибири.

Исследование выполнено при финансовой поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации, соглашение № 8354.