Distribution of heavy metals in cutover peat bog soils

Cover Page

Abstract


The paper contains the research results on content of total and mobile heavy metals compounds (lead, cadmium, copper, and zinc) in soils of the cutover peat bog Zenginsky located in the central part of the Kirov Region. As a result of the conducted researches it is revealed that the content of elements in different peat layers in control site (zinc - up to 2,60; copper - up to 0,90; lead - up to 5,60; cadmium - up to 0,59 mg/kg of soil) does not exceed the level of their maximum-permissible concentration and background contents in soils of the Kirov Region. For the undeveloped site the increased content of total and mobile compounds of the studied metals in the top layers is noted; it can be caused by biogenous accumulation of these elements by plants. The developed soils (the drained sites) are characterized by considerable fluctuations of elements content both in different profiles, and in the different layers of the same profile. Here the maximum content of elements in separate layers is much higher than control (zinc - up to 126,0; copper - up to 34,0; lead - up to 17,0; cadmium - up to 1,2 mg/kg of soil). Economic use of the peat bogs leads to an active mineralization of the top part of the remained peat mass. As a result of these processes stability of biogeochemical cycles of separate elements is broken. At the same time, the received data allow to consider soils of control sites as indicators of surrounding environment condition. The good safety of peat deposits gives the opportunity to study processes of accumulation and migration of chemical elements.

Full Text

Введение Болотные биогеоценозы являются важной составной частью природных комплексов бореальной зоны. Болота участвуют в регулировании климата и водообмена территории. Образующееся органическое вещество запасается на длительные периоды, снижая при этом выделение углекислого газа обратно в атмосферу [1, с. 3-8]. В процессе формирования болота происходит накопление и консервация в торфе различных химических элементов, в том числе и тяжелых металлов, таких как Pb, Cu, Zn и Cd [2, с. 496; 3, с. 3]. Из-за специфических свойств торфа (наличие большого числа кислых функциональных групп в составе органического вещества [4, с. 15] болотные системы являются огромными естественными аккумуляторами, которые способны накапливать и сохранять многие тысячелетия различные химические элементы и вещества [5, с. 9-10]. Осушение и добыча торфа ведут к разрушению и резкому изменению условий существования болот [6, с. 42], к трансформации болотных почв в направлении зонального типа почвообразования. Судьба тяжелых металлов после освоения болот не ясна. С одной стороны, активная минерализация органического вещества в результате осушения должна способствовать повышению подвижности и миграционной способности большинства элементов [7, с. 9-10]. С другой стороны, изменение гидрологических, окислительно-восстановительных, кислотно-щелочных и других режимов приводит к появлению геохимических барьеров, на которых возможно осаждение ТМ. Поэтому содержание и поведение химических элементов в болотных почвах будет зависеть от конкретной геохимической ситуации. Анализ литературных данных за последние 20-25 лет показал, что, хотя в глобальном масштабе важность болотных экосистем не вызывает сомнения, детальные экологические исследования в большинстве случаев проводятся на верховых болотах (ombrotrophic systems = bogs), а низинные болота (minerotrophic mires = fens) и болота переходного типа изучаются гораздо реже. Основной причиной этого является сложность факторов, влияющих на формирование торфа низинных болот по сравнению с верховыми болотами [8, с. 3]. Цель данной работы - выявить закономерности распределения ионов тяжелых металлов в почвенном компоненте биогеоценозов болот низинного и переходного типов в связи с их осушением и дальнейшим хозяйственным использованием. Материалы и методики исследования Кировская область занимает восточную часть Русской равнины. По имеющимся данным, в 70-е годы XX века на территории области было выявлено и разведано 1734 торфяных месторождения, а к концу 90-х годов их выявлено и описано 1858. Площадь торфяников области составляет почти 510 тыс. га, из которых 60% занимают низинные болота [9, с. 5]. Наиболее крупные болотные массивы осушены и освоены. Наибольшее распространение болота получили на широких плоских, сглаженных и пониженных водораздельных пространствах северной, северо-восточной и центральной частях области, на низинных участках речных пойм и террас [10, с. 7]. Особенностью болот Кировской области является то, что подстилающими породами в южной части области являются карбонатные породы палеозойского возраста, а в северной - бескарбонатные отложения московского и днепровского оледенений. Зенгинское болото расположено в Оричевском районе Кировской области на первой надпойменной террасе реки Вятка. Подстилающими торф породами являются аллювиальные и древнеаллювиальные отложения легкого гранулометрического состава, которые, в свою очередь, на разной глубине подстилаются карбонатными суглинками и карбонатами [10, с. 56-62]. Район приурочен к низменности - древнему руслу ледниковых потоков. Преобладающим типом торфообразования является низинный, но в центральных, наиболее глубоко залегающих частях месторождения встречаются смешанные и верховые участки. Площадь болота составляет 6 000 га, максимальная мощность торфяного слоя 5,0 м, средняя - 1,71 м. Торфомассив разрабатывался с 1949 года, в 1983-1984 гг. добыча торфа прекращена. Контрольный участок на торфомассиве был выбран в сосняке багульниково-зеленомошном на слабоосушенной неосвоенной части болота с мощностью торфяной залежи около 1,5-2,0 м. Ключевые участки были заложены на территориях с естественными луговыми и лесными фитоценозами, которые сформировались после осушения и сработки торфа и на территориях, вовлеченные в хозяйственную деятельность. Последние заняты посадками Pinus silvestris L. и Picea abies (L.) H. Karst. разного возраста от 9-11 до 35-40 лет, а также используются под посев кормовых культур. На данных участках мощность остаточного слоя торфа составила от 1,3-1,5 м до 0,5 м и меньше. Географические точки отбора проб имеют следующие координаты: контрольная точка 58°31′07,6″ с.ш., 48°59′04,0″ в.д.; освоенные участки - 1) 58°30′09,5″ с.ш., 48°59′03,1″ в.д.; 2) 58°31′18,6″ с.ш., 49°00′47,3″ в.д.; 3) 58°30′40,2″ с.ш., 48°59′34,7″ в.д. В течение трех полевых сезонов на каждом ключевом участке были заложены по 4 пробные площади, на которых проведено геоботаническое описание [11, с. 33-37], в соответствии с требованиями ГОСТ 17.4.3.01-83 заложены почвенные разрезы и отобраны пробы почв и торфа по слоям. Слои торфа разделялись визуально по различиям в ботаническом составе толщи. Согласно общепринятым методикам, в полевых условиях определяли степень разложения торфа и ботанический состав [12, с. 13-14, 20-29]. В последующем в лабораторных условиях при более детальном изучении ботанический состав уточняли [12, с. 30-32; 13, с. 6-51]. Аналитическую обработку собранного материала проводили в лаборатории кафедры экологии и зоологии Вятской государственной сельскохозяйственной академии и лаборатории эдафической устойчивости растений ФАНЦ Северо-Востока им. Н.В. Рудницкого (г. Киров). Содержание валовых и подвижных форм цинка, меди, свинца и кадмия определяли методом инверсионной вольтамперометрии на анализаторе ТА-4 разработки Томского политехнического института (Российская Федерация) согласно методическим разработкам производителя. На рисунках приведены средние показатели содержания тяжелых металлов (контрольная точка - 3 года × 5 повторностей; для остальной части - 3 года × 3 участка × 5 повторностей) с указание ошибки средней арифметической. Результаты исследования и их обсуждение Проведенные исследования показали, что содержание исследуемых химических элементов незначительно и не превышает средних и фоновых значений, характерных для различных типов почв области. Из литературных источников и данных наших предыдущих исследований известно, что содержание исследуемых химических элементов в болотных почвах не превышает фоновых концентраций в торфяных почвах Кировской области (табл. 1). Однако в процессе трансформации болотных почв в направлении зонального типа почвообразования происходит активная минерализация органической массы и вовлечение в биогеохимический круговорот законсервированных химических элементов. Для оценки того, загрязнен ли торф конкретным элементом, необходимо сравнить его содержание в торфе со средним содержание в земной коре (индекс экологического риска RI). Согласно Håkanson [18, с. 993], при величине показателя RI ниже единицы можно говорить о низкой степени загрязнения, при величине 1-3 - умеренном, 3-6 - сильном и при превышении 6 - очень сильном загрязнении. Как видно из приведенных в таблице данных, в среднем для Кировской области содержание исследуемых элементов в торфах соответствует низкой степени загрязнения, хотя в наиболее распространенной в области дерново-подзолистой почве отмечается умеренное загрязнение свинцом и сильное/очень сильное загрязнение кадмием. На контрольном участке (слабо осушенной неосвоенной части) торфомассива Зенгинский отмечено наименьшее содержание элементов в профиле по сравнению с другими обследованными территориями (рис. 1). Содержание валовых форм цинка в разных слоях почвенного профиля варьирует от 0,16 до 2,60 мг/кг, подвижных - от следовых значений до 1,60 мг/кг. Содержание меди в торфе изменяется от следовых значений до 0,90 мг/кг для валовых и до 0,12 мг/кг для подвижных форм. Отмечено повышенное содержание и валовых, и подвижных соединений обоих элементов в верхних слоях, что совпадает с литературными данными [3, с. 3; 19, с. 296]. Повышение содержания этих элементов в верхних слоях обусловлено биогенным накоплением данных элементов растениями [20, с. 112]. Концентрация цинка и меди в нижележащих слоях снижается до следовых значений. Содержание валового свинца в почвах контрольного участка колеблется от 0,37 до 5,60 мг/кг, подвижных форм - от следовых до 2,90 мг/кг (рис. 1). Максимальное содержание элемента в почвенном профиле характерно для верхних слоев торфа (0-20 см). Содержание кадмия в пробах торфа контрольного участка не превышает фоновых значений. Отмечается низкое содержание элемента в слоях торфа (от следовых значений до 0,59 мг/кг валовых и до 0,038 мг/кг подвижных). Кадмий и свинец не являются жизненно важными элементами для растений [21, с. 295, 345]. Несмотря на высокую фитотоксичность, некоторые количества элементов накапливаются в фитомассе. Накопление и свинца, и кадмия в самых верхних слоях торфа может быть обусловлено как биогенным накоплением этих элементов, так и атмосферным антропогенным загрязнением. По мнению O. Nikodemus et al. [22, с. 526], в последние десятилетия произошло повышенное накопление свинца в торфяных залежах на западе Латвии в связи с дальними воздушными перемещениями поллютанта из Европы. Как считает E.E. Veretennikova [23, с. 106], в настоящее время в торфяниках, удаленных от индустриальных источников свинца, расположенных в регионах с низким уровнем экономической активности, концентрация свинца и скорость его накопления в основном определяется глобальным уровнем атмосферного загрязнения, типичным для начала индустриальной эпохи. Таблица 1 - Пределы содержания валовых форм исследуемых элементов в почвах Кировской области, мг/кг Металл дерново-подзолистая почва¹ торф² Среднее содержание в земной коре³ низинного типа переходного типа Zn 30,00-70,00 8,50-56,10 3,60-30,60 70,00 Cu 45,00-50,00 2,00-6,00 60,00 Pb 5,00-43,00 - - 14,00 Cd 0,70-1,03 - - 0,15 Примечание. ¹ - по [14, с. 78, 94, 109, 124; 15]; ² - по [16, с. 79-81]; ³ - по [17, с. 2215]. Рисунок 1 - Среднее содержание ТМ в торфе слабо осушенного неосвоенного (контрольного) участка торфомассива Зенгинский. Приведены средние показатели содержания тяжелых металлов (3 года × 5 повторностей) с указанием ошибки средней арифметической. По оси ординат «глубина, см», по оси абсцисс «содержание элементов, мг/кг» По данным Л.П. Гашковой, Е.С. Ивановой [24, с. 733], на участках, где проводилась добыча торфа, растения активнее всего аккумулируют именно ионы кадмия; на участках болот с высокой степенью нарушенности коэффициент биологического поглощения таких элементов, как цинк, кадмий, свинец и медь, значимо выше, чем на ненарушенных участках. В целом, невысокое содержание тяжелых металлов в торфяных почвах контрольного участка обусловлено особенностями формирования болота, а также низким содержанием элементов в песчаных породах, подстилающих торфяную залежь. Для всех четырех элементов четко прослеживается биогенно-аккумулятивное накопление в верхних слоях торфяной залежи. Нельзя исключать также и привнесение элементов с атмосферным переносом при техногенном загрязнении атмосферы. Однако в данном случае техногенное загрязнение болотных массивов как таковое не рассматривается. Считается, что данные территории подвержены минимальному воздействию со стороны хозяйственной деятельности человека. Освоение торфомассива привело к изменению содержания и перераспределению химических элементов во вновь формирующихся почвенных профилях. Отмечены более резкие колебания содержания элементов по глубине во всех исследованных профилях (рис. 2) по сравнению с почвами неосвоенной части массива (рис. 1), что согласуется с литературными данными, касающимися анализа содержания тяжелых металлов в нарушенных торфяниках [25, с. 23]. Содержание валовых форм меди варьирует от следовых значений до 34,00 мг/кг; цинка в остаточных слоях торфа - от следовых значений до 126,00 мг/кг, в нижней минеральной части почвенного профиля - до 40,00 мг/кг. Повышенные (относительно контрольного участка) концентрации меди и цинка выявлены в верхних горизонтах некоторых профилей на участках с развитым растительным покровом. Цинк и медь являются биогенными элементами, активно поглощаются и накапливаются растениями. Валовое содержание свинца в профилях варьирует от следовых значений до 17,00 мг/кг, содержание подвижных форм свинца не превышает 2,30 мг/кг. Содержание валовых соединений кадмия в слоях обследованных профилей в среднем не превышает 1,00-1,20 мг/кг. При этом на некоторых участках выявлены повышенные концентрации элемента в отдельных слоях торфяной залежи, которые достигают 4,41-8,60 мг/кг. Содержание подвижных форм кадмия в профиле выработанных торфяных почв характеризуется как следовое. В отличие от цинка и меди, кадмий и свинец не относятся к биогенным элементам. Однако в некоторых профилях выявлено повышение содержания элементов именно в верхней части почвенного профиля. С одной стороны, это может быть связано с биогенным накоплением элемента живыми организмами и активной минерализацией верхних слоев торфа. Но также это может быть обусловлено наличием антропогенных источников поступления кадмия в окружающую среду в результате осушения и работ по добыче торфа на данной территории. Рисунок 2 - Среднее содержание ТМ в профиле торфомассива Зенгинский. Приведены средние показатели содержания тяжелых металлов (3 года × 5 повторностей) с указанием ошибки средней арифметической. По оси ординат - глубина, см, по оси абсцисс - содержание элементов, мг/кг. * - переход от торфяной залежи к минеральным подстилающим породам Колебания содержания тяжелых металлов в толще торфа, очевидно, обусловлены разными причинами. Одной из причин является различный ботанический состав торфяных слоев [4, с. 16; 26, с. 105-107]. Известно, что древесно-сфагновый торф больше, чем другие концентрирует молибден; шейхцериево-сфагновый - цинк; древесно-осоковый - марганец и кобальт [27, с. 207]. По мнению Е.Н. Гузовой, низинные торфы по способности накапливать химические элементы можно построить в следующий ряд по убыванию их содержания: древесный - древесно-осоковый - осоково-гипновый - осоковый [28, с. 253]. В некоторых случаях колебания содержания элемента обусловлены сменой торфяной залежи на минеральные подстилающие породы. Переходные (контактные) горизонты уплотнены и имеют примеси илистых и глинистых частиц в составе торфа. На границе между торфяной толщей и минеральными слоями происходит резкая смена почвенных условий [27, с. 243-245]. Переходные горизонты, как правило, задерживают влагу, а вместе с ней и химические элементы, просачивающиеся из верхних слоев. В результате этого в таких горизонтах может отмечаться повышение содержания элементов. Выводы Таким образом, в ходе проведенных исследований выявлено, что содержание свинца, кадмия, цинка и меди в слоях торфа выработанного торфяника Зенгинский центральной части Кировской области незначительно и не превышает предельно допустимых концентраций и фонового содержания в почвах Кировской области. Профили освоенных торфяников характеризуются значительными колебаниями содержания тяжелых металлов как в разных профилях, так и в разных горизонтах одного и того же профиля. Данные факты говорят о происходящей в освоенных и осушенных почвах перестройке почвенных процессов и режимов. Осушение болот и их дальнейшее хозяйственное освоение способствуют преобразованию этих природных комплексов. Хозяйственное использование ведет к активной минерализации верхней части оставшейся торфяной толщи. В результате этих процессов нарушается стабильность биогеохимических циклов отдельных элементов. При этом полученные результаты позволяют рассматривать эти «природные архивы» в качестве индикаторов состояния окружающей природной среды. Хорошая сохранность торфяных отложений дает возможность изучать процессы накопления и миграции химических элементов

About the authors

Elena Sergeevna Novosyolova

Vyatka State Agricultural Academy


lecturer of Ecology and Zoology Department

Lyudmila Nikolaevna Shikhova

Vyatka State Agricultural Academy


doctor of agricultural sciences, professor of Ecology and Zoology Department

Evgeny Mikhailovich Lisitsin

Vyatka State Agricultural Academy; Federal Agricultural Research Center of the North-East named N.V. Rudnitsky


doctor of biological sciences, professor of Ecology and Zoology Department; head of Plant Edaphic Resistance Department

References

  1. Beilman D.W., MacDonald G.M., Smith L.C., Reimer P.J. Carbon accumulation in peatlands of West Siberia over the last 2000 years // Global Biogeochemical Cycles. 2009. Vol. 23 (1). GB1012. DOI: 10.1029/ 2007GB003112.
  2. Mezhibor A., Arbuzov S., Rikhvanov L., Gauthier-Lafaye F. History of the Pollution in Tomsk Region (Siberia, Russia) According to the Study of High-Moor Peat Formations // International Journal of Geosciences. 2011. Vol. 2. P. 493-501. doi: 10.4236/ijg.2011.24052.
  3. Borgulat J., Mętrak M., Staszewski T., Wiłkomirski B., Suska-Malawska M. Heavy Metals Accumulation in Soil and Plants of Polish Peat Bogs // Polish Journal of Environmental Studies. 2018. Vol. 27 (2). P. 537-544. doi: 10.15244/pjoes/75823.
  4. Krumins J., Robalds A. Biosorption of Metallic Elements onto Fen Peat // Environmental and Climate Technologies. 2014. Vol. 14. P. 12-17. DOI: 10.1515/ rtuect-2014-0008.
  5. Forel B., Monna F., Petit C., Bruguier O., Losno R., Fluck P., Begeot C., Richard H., Bichet V., Chateau C. Historical mining and smelting in the Vosges Mountains (France) recorded in two ombrotrophic peat bogs // Journal of Geochemical Exploration. 2010. Vol. 107. P. 9-20. doi: 10.1016/j.gexplo.2010.05.004.
  6. Серебренникова О.В., Стрельникова Е.Б., Прейс Ю.И., Аверина Н.Г., Козел Н.В., Бамбалов Н.Н., Ракович В.А. Состав экстрактивных веществ торфов осушенных и ненарушенных верховых болот Беларуси и Западной Сибири // Известия Томского политехнического университета. Химия и химические технологии. 2014. Т. 325, № 3. С. 31-45.
  7. Kõlli R., Asi E., Apuhtin V., Kauer K., Szajdak L.W. Chemical properties of surface peat on forest land in Estonia // Mires and Peat. 2010. Vol. 6. Article 06. P. 1-12.
  8. Givelet N., Le Roux G., Cheburkin A., Chen B., Frank J., Goodsite M., Kempter H., Krachler M., Noernberg T., Rausch N., Rheinberger S., Roos-Barraclough F., Sapkota A., Scholz C., Shotyk W. Suggested protocol for collecting, handling and preparing peat cores and peat samples for physical, chemical, mineralogical and isotopic analyses // Journal of Environmental Monitoring. 2004. Vol. 6. P. 481-492. doi: 10.1039/b401601g.
  9. Долголетнее культурное пастбище на осушенной торфяной почве / В.М. Косолапов, А.Н. Уланов, Е.Л. Журавлева, Х.Х. Шельменкина, О.Г. Мокрушина, А.В. Смирнова, В.Г. Косолапова, В.Н. Ковшова, Ю.В. Помаскина. Киров: ООО ВЕСИ, 2015. 124 с.
  10. Зверков Ю.В. Вторая жизнь торфяников. Киров: Волго-Вятское кн. изд-во, 1982. 80 с.
  11. Методы изучения лесных сообществ / Е.Н. Андреева, И.Ю. Баккал, В.В. Горшков, Ш.В. Лянгузова и др. СПб.: НИИ Химии СПбГУ, 2002. 240 с.
  12. Куликова Г.Г. Краткое пособие к ботаническому анализу торфа. М.: Изд-во Московского университета, 1974. 95 с.
  13. Домбровская А.В., Коренева М.М., Тюремнов С.Н. Атлас растительных остатков, встречаемых в торфе. М.: Гос. энергет. изд-во, 1959. 137 с.
  14. Шихова Л.Н., Егошина Т.Л. Тяжелые металлы в почвах и растениях таежной зоны Северо-Востока Европейской России. Киров: Зональный НИИСХ Северо-Востока, 2004. 264 с.
  15. Эколого-геохимическая карта почв Кировской области. СПб.: ВСЕГЕИ. 1996.
  16. Уланов А.Н. Торфяные и выработанные почвы южной тайги евро-северо-востока России. Киров: ОАО «Дом печати - Вятка», 2005. 320 с.
  17. CRC Handbook of Chemistry and Physics, 84th / editor-in-chief: D.R. Lide (National Institute of Standards and Technology) CRC Press/Taylor & Francis Group: Boca Raton, FL. 2004. 2475 p.
  18. Håkanson L. An Ecological Risk Index for Aquatic Pollution Control: A Sedimentological Approach // Water Research. 1980. Vol. 14. P. 975-1001.
  19. Syrovetnik K., Neretnieks I., Malmström M.E. Accumulation of heavy metals in the Oostriku peat bog, Estonia: Determination of binding processes by means of sequential leaching // Environmental pollution. 2007. 147 (1), P. 291-300. doi: 10.1016/j.envpol.2005.10.048.
  20. Завгородняя Р.Е. Микроэлементный состав некоторых торфяных почв Карелии разных сроков освоения // Ученые записки Петрозаводского государственного университета. 2015. № 8 (153). С. 111-114.
  21. Kabata-Pendias A. Trace elements in soils and plants. 4th Edition. CRC Press: Boca Raton London, New York, Washington, 2010. 548 p.
  22. Nikodemus O., Brumelis G., Tabors G., Lapina L., Pope S. Monitoring of air pollution in Latvia between 1990 and 2000 using moss // Journal of Atmospheric Chemistry. 2004. Vol. 49. P. 521-531. doi: 10.1007/s10874-004-1263-2.
  23. Veretennikova E.E. Lead in the natural peat cores of ridge-hollow complex in the taiga zone of West Siberia // Ecological Engineering. 2015. Vol. 80. P. 100-107. doi: 10.1016/j.ecoleng.2015.02.001.
  24. Гашкова Л.П., Иванова Е.С. Аккумуляция тяжелых металлов в растениях-доминантах антропогенно нарушенных участков болот на территории Томской области // Известия Самарского научного центра РАН. 2014. Т. 16, № 1 (3). С. 732-735.
  25. Fiałkiewicz-Kozieł B., Smieja-Król B., Palowski B. Heavy metal accumulation in two peat bogs from southern Poland // Studia Quaternaria. 2011. Vol. 28. P. 17-24.
  26. Rydin H., Jeglum J.K. The biology of peatland. 2nd edition. Biology of habitats. Oxford: Oxford University Press, 2013. 382 p.
  27. Тюремнов C.Н. Торфяные месторождения. М.: Недра, 1976. 488 с.
  28. Гузона Е.Н. Химический состав торфов // Ландшафты болот Томской области / под ред. Н.С. Евсеевой. Томск: Изд-во НТЛ, 2012. С. 248-255.

Statistics

Views

Abstract - 32

PDF (Russian) - 15

Cited-By


PlumX

Dimensions

Refbacks

  • There are currently no refbacks.

Copyright (c) 2019 Novosyolova E.S., Shikhova L.N., Lisitsin E.M.

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.

This website uses cookies

You consent to our cookies if you continue to use our website.

About Cookies