Distribution of heavy metals in cutover peat bog soils

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).

 

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].

 

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.

 

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»

 

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.

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].

 

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

 

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.

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

Author for correspondence.
Email: gonina-elena@mail.ru

lecturer of Ecology and Zoology Department

Russian Federation, Kirov

Lyudmila Nikolaevna Shikhova

Vyatka State Agricultural Academy

Email: shikhova-l@mail.ru

doctor of agricultural sciences, professor of Ecology and Zoology Department

Russian Federation, Kirov

Evgeny Mikhailovich Lisitsin

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

Email: edaphic@mail.ru

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

Russian Federation, Kirov; Kirov

References

Supplementary files