Featuresof the elemental composition of lake waters and macrophytes in thermokarstsubarctic ecosystems of Western Siberi.pdf ВведениеС возрастанием антропогенного влияния на природную среду, локаль-ного загрязнения в ходе хозяйственной деятельности человека и глобально-го загрязнения через дальний атмосферный перенос вопрос о накоплениимикроэлементов во всех звеньях водных экосистем приобретает все большеезначение [1]. Термокарстовые озера как объекты гидрохимического и биогео-химического исследования слабо изучены для севера Западной Сибири, име-ются лишь фрагментарные данные по гидрохимическому составу озерных води биогеохимическим процессам, протекающим в термокарстовых озерах [2-5].Перенос веществ в водной среде является одним из важнейших процес-сов, обеспечивающих круговорот веществ, стабильность биогеохимическихциклов. Особенности ландшафтно-геохимической структуры лесоболотнойзоны Западно-Сибирской равнины оказывают большое влияние на составповерхностных вод, которые очень ярко отражают специфику природнойсреды этого региона [6].Рис. 1. Схема циклической сукцессии развитияплоскобугристых болот (по [7])Озерно-болотные экосистемы субарктики Западной Сибири являютсяуникальными природными индикаторами климатических изменений будучинаиболее чувствительны к изменениям климата ввиду их пограничного по-ложения в пределах криолитозоны [7, 8]. До недавнего времени ландшафтмерзлых бугристых болот находился в достаточно стабильном состоянии.Наблюдалась своеобразная «пульсация» поверхности, обусловленная вза-имными переходами элементов ландшафта. Общая схема этого процессаможет выглядеть следующим образом: просадка участка плоскобугристогоболота с образованием мочажины - «эмбрионического» озера, затем озероначинает расти и, достигнув определенного размера, сбрасывает свои водыв другой водоем, образуется хасырей (спущенное озеро), в хасырее проис-ходит мерзлотное пучение, что приводит к образованию мерзлых бугров -началу цикла развития термокарстовых озер (рис. 1). Этот процесс хорошоОсобенности элементарного состава озерных вод188дешифрируется на космических снимках за многолетний цикл наблюдений,их анализ позволяет говорить, что в настоящее время на севере ЗападнойСибири происходят процессы деградации многолетней мерзлоты и увеличе-ния количества термокарстовых озер [7].На сегодняшний день районы Западной Сибири с развитием многолет-ней мерзлоты активно осваиваются и являются предметом всестороннегоизучения, что обуславливает актуальность биогеохимических исследованийданного региона. Целью данной работы явилось изучение особенностейэлементного состава озерных вод и макрофитов термокарстовых экосистемсубарктики Западной Сибири в контексте естественной сукцессии ландшаф-та и современных климатических изменений.Материалы и методики исследованияИзученные нами водные объекты представляют собой термокарстовыеозера с берегами, сложенными торфяными сфагновыми мхами, донные от-ложения представлены торфяным детритом. Термокарст развивается за счетвытаивания сингенетических и эпигенетических сегрегационных льдов,растущих и погребенных повторно-жильных и пластовых льдов. В резуль-тате образуются озера, западины и другие отрицательные формы рельефа,разделенные обычно плоскобугристыми торфяниками высотой 2-4 м. Наи-более крупные термокарстовые озера, возникающие в торфяниках, имеютразмеры до нескольких километров [9]. Вода озер богата гуминовыми ве-ществами, которые придают ей темную окраску. Все термокарстовые озераданного района относят к ультрапресным с преимущественно атмосфернымпитанием; температура воды в мелкокотловинных озерах мало отличаетсяот температуры воздуха [10].Диаметр водного зеркала озер определялся на месте с помощью GPS-навигатора. Отбор проб проводился в Надым-Пурском междуречье, вокрестностях п. Пангоды (Ямало-Ненецкий автономный округ) (рис. 2) в2010 г., было обследовано 4 наиболее характерных озерных экосистемы раз-ных стадий развития (табл. 1).Пробы озерных вод отбирались на литорали озер в зарослях макрофитовс поверхности (30-35 см) в химически чистые полипропиленовые стаканыобъемом 250 мл, затем воду фильтровали на месте или в течение 4 ч послеотбора через мембранные фильтры MILLEX Filter Unit (Millipore, США) сдиаметром пор 0,45 мкм с использованием стерильных шприцов.Образец фильтрованной озерной воды делился на два полипропилено-выхРис. 4. Содержание химических элементов в траве вахты трехлистнойчетырех озерных экосистем разных стадий развитияПо усредненному содержанию химические элементы в траве вахты трех-листной, произрастающей в экосистемах разных стадий развития, распола-гаются в следующем порядке:Для термокарстового озера - K > Ca > Mg > Na > Fe > Mn > Al > Zn >Ba > Rb > Sr > B > Ni > Pb > Co > V > As > La > Cr > Ce > Mo > Zr > Cs > Y> Th > Dy > Yb > Hf > U.а б л и ц а 2Элементный состав озерных вод и вахты трехлистной в четырех озерно-болотных экосистемах севера Западной СибириХим.элементыОзерные воды, мкг/л Кларк речнойводы [16],мкг/лВахта трехлистная, мкг/кг сухой массыМолодойхасырейТермокар-стовоеозероСтарыйхасырей Хасырей МолодойхасырейТермокар-стовое озероСтарыйхасырей Хасырей1 2 3 4 5 6 7 8 9 10B 1,600 2,200 2,900 2,000 20,000 4,400 7,000 10,100 6,300Na 204,400 269,000 246,300 186,300 5000,000 1217,000 893,200 2694,000 2712,000Mg 283,600 196,300 509,300 322,000 2900,000 852,200 1286,000 2147,000 1854,000Al 166,600 90,200 100,500 47,000 160,000 119,200 45,400 33,800 51,700K 11,500 63,900 119,300 28,900 2000,000 2289,000 6558,000 5407,000 3842,000Ca 489,600 423,600 687,900 420,700 12000,000 851,100 1651,000 2905,000 1868,000V 0,200 0,450 0,150 0,160 1,000 0,260 0,095 0,090 0,180Cr 2,800 4,040 3,600 4,100 1,000 0,170 0,055 0,044 0,080Mn 17,200 14,700 31,600 6,200 10,000 41,100 66,200 315,400 91,700Fe 742,100 136,300 200,600 151,700 40,000 954,800 304,000 185,500 1278Co 0,690 0,380 0,490 0,160 0,300 0,740 0,620 0,960 1,400Ni 2,500 2,800 3,100 2,800 2,500 1,400 1,500 2,100 2,200Zn 20,500 9,400 9,700 7,200 20,000 37,100 32,900 30,000 34,000As 0,870 0,410 0,530 0,480 2,000 0,270 0,073 0,083 0,360Rb 0,055 0,200 0,280 0,096 2,000 9,600 17,900 24,400 17,400Sr 4,900 4,200 4,700 3,400 50,000 9,900 17,100 25,400 18,200Y 0,094 0,046 0,140 0,039 0,700 0,058 0,020 0,028 0,060Zr 0,300 0,130 0,260 0,110 2,600 0,260 0,035 0,060 0,048О к о н ч а н и е т а б л. 22 3 4 5 6 7 8 9 10Mo 0,057 0,097 0,061 0,065 1,000 0,021 0,036 0,030 0,022Sb 0,048 0,056 0,044 0,041 1,000 0,006 0,020 0,004 0,009Cs 0,012 0,019 0,012 0,011 0,030 0,017 0,026 0,050 0,046Ba 5,800 4,300 2,500 1,700 30,000 15,800 26,800 19,200 16,900La 0,065 0,037 0,110 0,029 0,050 0,120 0,067 0,077 0,110Ce 0,190 0,092 0,300 0,074 0,080 0,160 0,049 0,063 0,140Pr 0,024 0,011 0,037 0,011 0,007 0,017 0,004 0,007 0,015Sm 0,022 0,015 0,032 0,011 0,008 0,010 0,004 0,004 0,011Eu 0,013 0,011 0,013 0,007 0,001 0,003 0,002 0,002 0,003Gd 0,029 0,018 0,041 0,016 0,008 0,011 0,003 0,004 0,009Tb 0,003 0,004 0,004 0,001 0,001 0,002 0,001 0,001 0,001Dy 0,018 0,011 0,025 0,008 0,005 0,009 0,003 0,004 0,009Ho 0,005 0,005 0,006 0,003 0,001 0,002 0,001 0,001 0,002Er 0,012 0,014 0,017 0,006 0,004 0,006 0,002 0,002 0,005Yb 0,012 0,008 0,016 0,006 0,004 0,007 0,002 0,002 0,004Hf 0,032 0,026 0,030 0,025 - 0,012 0,002 0,001 0,001Pb 0,170 0,076 0,059 0,063 1,000 5,100 1,000 0,540 0,980Th 0,024 0,009 0,021 0,007 0,100 0,027 0,004 0,005 0,012U 0,004 0,004 0,005 0,004 0,500 0,005 0,001 0,001 0,002О к о н ч а н и е т а б л. 2Примечание. Элементный состав проб определяли на квадрупольном ICP-MS Agilent 7500 се (Agilent Technologies, США) с добавлением вну-треннего стандарта In + Re. Анализы выполнены в лаборатории «Геологические науки в окружающей среде» (GET, Тулуза, Франция); «-» - от-сутствие данных.Для молодого хасырея - K > Na > Fe > Mg > Ca > Al > Mn > Zn > Ba > Sr >Rb > Pb > B > Ni > Co > As > V > Zr > Cr > Ce > La > Y > Th > Mo > Cs > Hf >Dy > Yb > U.Для хасырея - K > Na > Ca > Mg > Fe > Mn > Al > Zn > Sr > Rb > Ba > B > Ni> Co > Pb > As > V > Ce > La > Cr > Y > Zr > Cs > Mo > Th > Dy > Yb > U > Hf.Для старого хасырея - K > Ca > Na > Mg > Mn > Fe > Al > Zn > Sr > Rb> Ba > B > Ni > Co > Pb > V > As > La > Ce > Zr > Cs > Cr > Mo > Y > Th >Sb > Dy > Yb > Hf > U.Из рис. 4 видно, что общая динамика содержания химических элемен-тов в вахте трехлистной во всех четырех экосистемах одинакова. Однакоимеются некоторые различия. Так, в вахте, произрастающей на литоралитермокарстового озера, наиболее, по сравнению с другими экосистемами,содержатся элементы K, Sb, Pb и Ba. Вахта, произрастающая в старом ха-сырее, наиболее богата такими макроэлементами, как Mg, Ca, Mn, Co, Rb,Sr и Cs. Минимальными концентрациями в растениях всех экосистем харак-теризуются редкоземельные элементы, малоподвижные в пресных водах ибиологически недоступные растениям, а также трех- и четырехвалент-ные гидролизаты.В ходе работы были посчитаны коэффициенты биологического накопле-ния химических элементов в вахте трехлистной относительно воды (Кб) длякаждой из четырех стадий развития озерных экосистем (рис. 5).0,010,11101001000BNaMgAlKCaVCrMnFeCoNiZnAsRbSrYZrMoSbCsBaLaCePrSmEuGdTbDyHoErYbHfPbThUКбМолодой хасырей Термокарстовое озеро Старый хасырей ХасырейРис. 5. Значения коэффициента биологического накопления химическихэлементов в вахте трехлистной относительно воды термокарстовых озерчетырех озерных экосистем разных стадий развитияПо величине Кб можно составить ряды химических элементов для вахтытрехлистной, произрастающей в четырех озерных экосистемах:Озеро: K > Rb > Pb > Mg > Ba > Mn > Sr > Ca > Zn > Na > B > Fe > La >Co > Cs > Ce > Ni > Al > Y > Th > Mo > U > Zr > Dy > V > Yb > As > Hf > Cr.Молодой хасырей: K > Rb > Pb > Na > Mg > B > Ba > Mn > Sr > La > Zn >Ca > Cs > U > Fe > V > Th > Co > Ce > Zr > Al > Y > Ni > Yb > Dy > Hf > Mo> As > Cr.Хасырей: Rb > K > Pb > Mn > Na > Ba > Co > Fe > Mg > Sr > Zn > Ca > Cs> La > B > Ce > Th > Y > V > Dy > Al > Ni > As > Yb > U > Zr > Mo > Hf > Cr.Старый хасырей: Rb > K > Na > Mn > Pb > Ba > Sr > Cs > Ca > Mg > B >Zn > Co > Fe > La > Ni > V > Mo > Al > U > Zr > Th > Ce > Y > As > Dy > Yb >Hf > Cr.Высокими значениями Кб для вахты, произрастающей во всех изучен-ных экосистемах, характеризуются макроэлементы, необходимые растени-ям в процессе жизнедеятельности (K, Mg, Na), значения Кб для которыхменяются в зависимости от стадии развития. Так, в ходе развития озерныхэкосистем уменьшается значение Кб для Mg, но увеличивается роль Na.Активно накапливаются вахтой трехлистной такие микроэлементы, какRb, Sr, Ba, Pb, что, вероятно, говорит о специфичности их накопления, атакже о возможном загрязнении водоемов. Активное накопление рубидия,наравне с калием, объясняется их физиологической схожестью, так как ру-бидий может отчасти замещать позиции калия в соединениях, хотя высокиеего концентрации довольно токсичны для растений [17].Mn активно накапливается в растениях, произрастающих в экосистемах ко-нечных стадий развития (хасырей и старый хасырей), что может быть связано сизменениями гидрологического режима местообитаний. Также ранее многимиисследователями отмечалось [18, 19], что Mn обладает высокой биогеохими-ческой активностью в тундровых и таежных ландшафтах. Дополнительнымифакторами повышенной концентрации Mn в макрофитах конечных стадий мо-гут являться повышенный рН воды и более интенсивное протекание фотосин-теза, приводящее к окислению Mn2+ до Mn4+ на поверхности клеток.Данные по ряду элементов (высокое содержание Mn, Pb и низкое со-держание Cr), полученные нами в ходе исследований, согласуются с ранееопубликованными работами [19, 20]. Также высокие содержания Mn, Fe иPb отмечены для торфа верховых болот севера Западной Сибири [20] и длякустистых лишайников данной территории [21, 22].Выводы1. Термокарстовые озера субарктики Западной Сибири представляют со-бой мелкокотловинные озера с темным цветом воды, торфяным дном. Ониявляются стадиями перехода элементов ландшафта от плоскобугристогоболота до хасырея (спущенное озеро), в котором впоследствии происходятпромерзание грунта и мерзлотное пучение с возобновлением плоскобугри-стого болота.2. Во всех исследованных озерных водах складывается благоприятнаяобстановка для накопления ряда химических элементов (Fe, Cr, Mn, Co, Ni,редкоземельные элементы) до уровня, существенно превышающего кларкречной воды [16].3. Общая динамика содержания химических элементов в вахте трехлист-ной во всех четырех экосистемах одинакова, но имеются некоторые разли-чия. Так, в вахте, произрастающей на литорали термокарстового озера, посравнению с другими экосистемами, наиболее накапливаются элементы K,Sb, Pb и Ba. Вахта, произрастающая в старом хасырее, наиболее богата та-кими макроэлементами, как Mg, Ca, Co, Rb, Sr, Cs, Mn.4. Наибольшим коэффициентом накопления характеризуются макроэле-менты, а также микроэлементы Rb, Mn и др., что объясняется спецификойбиогеохимической обстановки данной территории. В вахте трехлистной вбольших количествах накапливаются некоторые тяжелые металлы (Pb, Zn,Sr, Со и др.), источниками которых могут служить как глобальные факторы(атмосферный перенос, водный режим и др.), так и различного рода локаль-ные загрязнения (нефтяные «качалки», «лисьи хвосты» сжигаемого газа идр.) [23].

Скачать электронную версию публикации