Influence of hydrological conditions on the group composition of the bog peat of the European North of Russia.pdf Введение Увеличение антропогенной нагрузки и глобальные климатические изменения стоят в настоящее время в числе важнейших вызовов. Для экосистем, находящихся в экстремальных климатических условиях, это имеет особое значение - уязвимая северная природа очень чутко реагирует на любые воздействия извне, будь то влияние человека или изменения природных факторов. Поэтому экологический мониторинг природных систем становится одной из главных задач при освоении северных территорий. Торфяные болота широко распространены на севере России, причем большую часть занимают болота верхового типа [Единый государственный реестр..., 2014]. Осушение, как основной вид антропогенного воздействия на торфяно-болотные экосистемы, влечет за собой глубокие изменения биогеохимических и биологических циклов болот [Косов, 2007], приводит к быстрой «сработке» торфяной залежи, усилению окислительных процессов в торфяной толще [Walter et al., 2006]. Воздействие осушения на состояние торфяных болот привлекает внимание как отечественных, так и зарубежных исследователей. Интерес вызывают особенности микробиологических процессов в осушенной торфяной залежи [Xu et al., 2021], трансформация свойств и химического состава торфа и болотных вод [Семененко, Каранкевич, 2011; Вом-перский и др., 2017; Моторин, 2018; Harris et al., 2020], изменения в составе битумной части торфа [Серебренникова и др., 2014], естественные процессы, происходящие при осушении и последующем восстановлении болот [Rochefort, Lode, 2006; Вой-техов, 2012]. В настоящее время мнения ученых по поводу устойчивости верховых болот к осушению неоднозначны. Однако многие исследователи отмечают не только крайне низкий лесоводственный эффект даже при интенсивном осушении верховых болот (увеличение продукции древостоя равно снижению продукции напочвенного покрова), но также сохранение олиготрофной растительности и олиготрофного типа обмена веществ в целом. Например, по данным [Войтехов, 2012], осушение верхового болота в Московской области сказалось лишь на территории до 20 м от канав, где за 25-летний период после осушения сосна выросла до 6-8 м, в то время как растительный покров большей части болота остался практически без изменений. Отметим, что влияние мелиорации на состояние олиготрофных болот северных территорий России, отличающихся суровым климатом, может быть более значительным. Несмотря на высокую заболоченность, а также наличие осушенных в прошлом торфяных болот, на территории Европейского Севера России такие исследования носят единичный характер. Таким образом, изучение группового состава органического вещества торфяных отложений осушенных и ненарушенных участков болот Европейского Севера России (на примере Архангельской области) является актуальной задачей. Это позволит глубже проникнуть в процессы трансформации органического вещества северных болот и определить возможные последствия изменения климата и вмешательства человека. Объекты и методы исследования Исследования проводили в Приморском районе Архангельской области на территории Иласской болотной системы, расположенной в 30 км на юго-юго-западе от г. Архангельска в зоне северной тайги. Иласский болотный массив (ИБМ) относится к Прибеломорскому типу и является типичным для территории Европейского Севера России олиготрофным плосковыпуклым болотом. На территории массива расположен стационар Северного УГМС России - труднодоступная болотная станция «Брусовица», гидрометеорологические наблюдения на которой ведутся с 1941 г. Объектами исследования служили образцы верхового торфа, отобранные летом 2020 г. с нескольких площадок ИБМ - осушенного (64°19'16" N, 40°41'01" E) и двух естественных (ненарушенных) участков, находящихся на разном удалении от мелиорированной части болотного массива. Ненарушенная площадка 1 располагается на территории грядо-озеркового комплекса ИБМ на расстоянии около 3 км от осушительных канав (64°20'03" N, 40°36'35" E), а площадка 3 - примерно в 300 м от осушительной сети (64°18'54" N, 40°41'14" E). Осушение по окраинам болотного массива было проведено в 1969-1972 гг. методом открытого дренажа (среднее расстояние между канавами 100 м) с целью отведения избыточной влаги от дорожного полотна при строительстве трассы М8 - «Холмогоры». Общий вид системы болот и места отбора проб показаны на рис. 1. Рис. 1. Спутниковый снимок Иласской болотной системы и места отбора проб торфа 1 - ненарушенный участок; 2 - осушенный участок; 3 - ненарушенный участок Fig. 1. Satellite image of the Ilas bog system and peat sampling sites 1 - undisturbed area; 2 - drained area; 3 - undisturbed area Растительное сообщество ненарушенного участка 1 относится к сосново-кустарничково-сфагновому типу. Древесный ярус представлен разреженным древостоем сосны обыкновенной (Pinus sylvestris f. Litwinovii) и (Pinus sylvestris f. Wilkomii) с сомкнутостью 0,3-0,4. Проективное покрытие кустарничкового яруса составляет 40-45 %, в состав яруса входят багульник болотный (Ledum palustre L.), морошка обыкновенная (Rubus chamaemorus L.), подбел (Andromeda polifolia L.), вереск обыкновенный (Calluna vulgaris (L.) Hull), водяника черная (Empetrum nigrum L.), брусника (Vaccinium vitis-idaea L.), три вида росянки (Drosera rotundifolia L., Drosera anglica Huds., Drosera medium Hayne), клюква мелкоплодная и болотная (Oxycoccus microcarpus Turcz. ex Rupr., Oxycoccus palustre (Hill) W.D.J. Koch), голубика обыкновенная (Vaccinium uliginosum L.), пушица влагалищная (Eriophorum vaginatum L.) и кассандра болотная (Chamaedaphne caliculata (L.) Moench). Мохово-лишайниковый покров имеет проективное покрытие до 70 % и представлен преимущественно сфагнумом бурым (Sphagnum fuscum (Schimp.) H. Klinggr.) и лишайниками рода Cladonia. Мощность естественной торфяной залежи более 4,0 м, подстилающие породы - моренные суглинки и глины. Уровень грунтовых вод в период летней межени (середина июля) достигал глубины 30 см. Общий вид участка представлен на рис. 2, a. Пробные площади на ненарушенном участке 3, расположенном вблизи осушительной сети, закладывали в пределах ровной мелкокочковатой моховой фации, не имеющей выраженного микрорельефа. Данный участок представляет собой верховое сфагновое болото со средней мощностью торфяной залежи до 3,0 м и зарастанием сосной 20 %. Древесный ярус располагается на грядах, а на моховой фации отсутствует. Как и на ненарушенном участке 1, основу растительного покрова составляют аналогичные виды сфагновых мхов. Травяно-кустарничковый ярус имеет небольшое проективное покрытие и сложен, в основном, ушицей (Eriophorum vaginatum), шейхцерией (Scheuchzeria palustris) и подбелом (Andromeda polifolia). Подстилающие породы - морена легкого и среднего механического состава. Уровень грунтовых вод в течение всего сезона исследований, даже в период летней межени, находился около дневной поверхности (рис. 2, c). В растительном покрове осушенного участка доминируют кустарнички голубики (Vaccinium uligi-nosum), черники (V. Myrtillus) и багульника (Ledum palustre). Сфагновые мхи встречаются спорадически и приурочены к понижениям рельефа. Значителен процент проективного покрытия зеленых мхов, представленных видами плевроциум (Pleurozium schreberi), кукушкин лен обыкновенный (Polytrichum commune), дикранум волнистый (Dicranum bergeri) и дикранум многоножковый (D. Polysetum). Появляются лишайники рода Cladonia. Древесный ярус образован Pinus sylvestris c сомкнутостью 0,6. Подстилающие породы на участке представлены мореной среднего механического состава. Уровень грунтовых вод в течение вегетационного периода изменялся в пределах 15-30 см. После обильных осадков осушительные канавы заполняются водой, профиль канав зарастает сфагновыми мхами (рис. 2, b). Мощность торфяной залежи не превышает 1,5 м. a b c Рис. 2. Общий вид исследуемых участков Иласского болотного массива a - ненарушенный участок 1; b - осушенный участок 2; c - ненарушенный участок 3 Fig. 2. General view of peat sampling sites of Ilas bog system a - undisturbed area 1; b - drained area 2; c - undisturbed area 3 Отбор репрезентативных проб торфа проводили методом послойного бурения с применением торфяного бура из нержавеющей стали P 04.09 (EIJKELKAMP, Нидерланды) согласно [ГОСТ 17644-83, 1983]. Торф был визуально разделен на горизонты по глубине залегания, каждый из которых анализировали отдельно. Отобранные образцы раскладывали слоем в 3-4 см и сушили до воздушносухого состояния. Затем из торфа выбирали крупные неразложившиеся остатки растений и минеральные включения и просеивали на сите с размерами ячеек 2 мм. Фракционированный и не фракционированный торф хранили в герметично закрытой таре. Лабораторные исследования включали определение вида торфа, степени разложения, влажности, зольности и группового химического состава органической части торфа. Влажность и зольность определяли по стандартным методикам [ГОСТ 113062013, 2013; ГОСТ 11305-2013, 2014]. Степень разложения торфа предварительно определяли визуально в полевых условиях [Лиштван, Король, 1975; Тю-ремнов, 1976], а затем уточняли микроскопическим методом, который заключается в определении относительной площади, занятой бесструктурной частью торфа, при рассмотрении тонкого разжиженного слоя материала на предметном стекле через микроскоп [ГОСТ, 2006]. Растительные остатки в торфе идентифицировали по [Носкова, 2016]. Групповой состав органического вещества определяли по аттестованной авторской методике, основанной на последовательном выделении компонентов торфа растворителями различной природы [Методика, 2017]. Экстрактивные вещества (битумы) выделяли из исходного торфа обработкой этоксиэтаном в аппарате Сокслета. Дальнейшая разборка торфа проводилась из дебитуминизированного образца с последовательным выделением компонентов: биополимеры гумусовой природы 0,1 н водным раствором гидроксида натрия, легкогидролизуемые соединения 5 %-м раствором соляной кислоты, трудногидролизуемые вещества и негидролизуемый остаток (лигнин Классона) - 80 %-м раствором серной кислоты. Содержание водорастворимых веществ определяли из отдельной навески исходного торфа экстракцией горячей водой. Расчет содержания групповых компонентов проводили весовым методом по остатку. Для изучения различий в групповом составе органической части торфа трех участков были выбраны верхние горизонты ненарушенных участков (0100 и 0-225 см) и профиль торфяной залежи осушенного участка, визуально разделенный на два горизонта (0-30 и 3-140 см). Эксперименты проводили в 4... 10 параллельных опытах для каждой точки, для анализа использовали воздушно-сухой торф (влажность варьировала в пределах 8,7 13,5 %). По результатам анализа рассчитывали средние значения содержания группы веществ в торфе (на абсолютно сухую массу) и стандартное отклонение. Известно, однако, что усредненные значения не всегда отражают наличие или отсутствие реальной разницы между показателями. Для подтверждения полученных результатов проведена статистическая оценка значимости различий с использованием непараметрического критерия Манна-Уитни (Mann-Whitney test), который позволяет оценить различие между двумя независимыми малыми выборками с распределением, отличным от нормального [Бондаренко, 2016]. Ввиду того, что минимальное число опытов n для работы с критерием не должно быть меньше 3 (при минимальном значении опытов n1 = 3 значение n2 не должно быть меньше 5), для расчетов выбраны значения содержания битумов, гуминовых кислот, легкогидролизуемых веществ, лигнина, а также зольность. После вычисления эмпирического значения критерия, а также нахождения его табличного значения (Цкр) принимается решение о достоверности наблюдаемых различий: если ирасч > Цкр, различия не являются статистически достоверными и носят случайный характер; при Црасч < Цкр различия достоверны, причем, чем меньше значение расчетного критерия, тем вероятнее достоверность. Значение икр для уровня статистической значимости 5 % при заданной численности опытов определяется по справочной таблице. Расчет критерия проводили в Microsoft Excel по формуле (1): U=nx*y ++zp- (1) где пх и пу - объемы выборок; n - объем выборки, имеющий большую ранговую сумму; T - большая сумма рангов из двух выборок x и y. Результаты и их обсуждение Из описания исследуемых участков и рис. 2 видно, что осушение значительно повлияло на состав растительных сообществ. В то время как основу растительного покрова ненарушенных участков составляют сфагновые мхи, на осушенном участке они встречаются только в местах скопления влаги (зарастание осушительных канав), а большая часть растительного покрова представлена кустарничками, зелеными мхами и сосной. Торф осушенного участка имеет более плотную структуру, что усложняет процесс бурения и пробоотбора. Так, вода с верхних горизонтов торфа отжимается с трудом, а с нижних - практически не отжимается. В табл. 1 представлены результаты определения степени разложения и вида торфа для трех участков. Отметим, что на каждой исследуемой площадке торфяная залежь имеет однородный ботанический состав - на всю глубину она сложена сфагновыми мхами с примесью пушицы, кустарничков и древесины сосны. Степень разложения верхних горизонтов на всех площадках низкая (не превышает 10 %), при этом на участке 3, близко расположенном к осушительной сети, практически отсутствуют видимые признаки гумификации. Мощность верхнего слаборазложив-шегося торфяного горизонта на исследованных площадках заметно различается - в естественных условиях он составляет значительную часть тела залежи (на участке 3 вплоть до 2,25 м), а после осушения не превышает 30 см. Увеличение степени разложения в верхнем горизонте и уменьшение его мощности, по-видимому, связаны с повышением аэрации и усилением окислительных процессов в торфяной толще. Результаты определения химического состава образцов приведены в табл. 2. Все исследуемые образцы отличаются низкой зольностью, свойственной верховому торфу. Некоторый рост показателя наблюдается с увеличением глубины залегания, что вполне логично, учитывая протекание процессов минерализации органического вещества. Содержание водорастворимых веществ невелико, практически не варьирует в исследованных образцах и не меняется по глубине залегания. Таблица 1 Результаты определения степени разложения и вида торфа естественных и осушенного участков The type of peat samples and the degree of its decomposition of undisturbed and drained areas Table 1 Показатель Естественный участок 1 Естественный участок 3 Осушенный участок Глубина залегания, см 0-100 0-225 225-275 0-30 30-140 Степень разложения торфа по ГОСТ, %* Вид торфа 5-10 (Н1) Сфагновый 0-5 (H0) Сфагновый 25-30 (H4) Сосновопушицевый 5-10 (H1) Сфагновый 20-25 (H3) Сосновопушицевый Примечание. В круглых скобках указаны соответствующие ГОСТу [ГОСТ 28245-89, 2006] значения степени разложения по шкале [Von Post Humification Scale]. Note. The values of decomposition degree according to Von Post are shown in round brackets. Таблица 2 Групповой химический состав образцов торфа ненарушенных и осушенного участков The group chemical composition of peat sampled from undisturbed and drained areas Table 2 Групповой состав* Естественный участок 1 Естественный участок 3 Осушенный участок 2 Глубина залегания, см 0-100 (4) 0-225 (4) 0-30 (8) 30-140(10) Зольность, % от а. с. м. 1,1 ± 0,3 1,6 ± 1,0 1,2 ± 0,2 1,9 ± 0,5 Водорастворимые вещества, % от а. с. м. 1,3 ± 0,4 1,4 ± 0,1 1,2 ± 0,4 1,4 ± 0,4 Битумы, % от а. с. м. Биополимеры гумусовой природы, % от а. с. м, в том числе: 4,4 ± 0,1 20,1 ± 2,1 3,3 ± 0,6 19,1 ± 3,2 4,0 ± 0,4 19,9 ± 3,4 10,0 ± 1,1 36,7 ± 7,3 - гуминовые кислоты, % 14,2 ± 0,5 15,9 ± 0,8 14,6 ± 2,2 33,0 ± 6,9 - фульвовые кислоты, % 5,9 ± 2,5 5,3 ± 1,0 5,3 ± 1,8 3,7 ± 0,7 Легкогидролизуемые вещества, % от а. с. м. 40,3 ± 4,4 44,7 ± 1,0 45,7 ± 3,1 21,1 ± 8,1 Трудногидролизуемые вещества, % от а. с. м. 13,1 ± 0,6 15,2 ± 2,0 12,1 ± 0,7 4,3 ± 1,6 Лигнин, % от а. с. м. 22,0 ± 3,2 15,8 ± 1,0 18,3 ± 1,3 27,8 ± 1,8 Примечание. В таблице приведены средние значения для 4...10 параллельных опытов со стандартным отклонением (количество опытов указано в круглых скобках). Note. The average values for 4.10 replicates and an average deviation are shown in round brackets. Битуминозность торфа верхних горизонтов естественных и осушенного участков практически не отличается (3,3-4,4 %), а вот в нижнем горизонте осушенного участка значительно повышается и достигает 10 %. Тенденция увеличения битуминозности торфа с глубиной залегания согласуется с наличием связи между количеством битумов и степенью разложения торфа, установленной ранее на примере районов с умеренно континентальным климатом [Белькевич, Голованов, Долидович, 1989]. Также различия в содержании битумов могут быть обусловлены как особенностями химического состава растительных сообществ, образующих слои торфа [Архипов, Маслов, 1998; Шинкеева, 2009; Латыш, 2017], так и спецификой биогеотрансформации органического вещества отдельных растений. Например, известно, что среди различных видов верхового торфа увеличение содержания битумной части происходит в ряду шейхцериево-сфагновый - пушицевосфагновый - шейхцериевый - сосново-сфагновый -сосновый - пушицевый - сосново-пушицевый [Бель-кевич, Голованов, Долидович 1989]. Содержание биополимеров гумусовой природы, образующихся в результате биогеотрансформации компонентов растений-торфообразователей, незначительно отличается для верхних горизонтов трех точек (19,9-20,1 %) и увеличивается в нижнем горизонте осушенного участка (до 36,7 %), такая же тенденция прослеживается и для и гуминовых кислот (14,2-15,9 % для верхних горизонтов естественных участков и 33,0 % для нижнего горизонта осушенного участка). Скорее всего, эти различия обусловлены увеличением степени разложения глубоких слоев торфа осушенного участка. Аналогично вышеописанным компонентам, доли легко- и трудногидролизуемых веществ и лигнина верхних горизонтов трех точек сопоставимы между собой, а в нижнем горизонте осушенного участка наблюдаются отличия - в торфе более высокой степени разложения происходит снижение доли легко-и трудногидролизуемых веществ и повышение содержания лигнина. Это свидетельствует об усилении процессов трансформации биодоступных соединений с образованием термодинамически устойчивых структур - соединений полифенольной природы (гумусовых и лигноподобных веществ) [Козловская, Медведева, Пьявченко, 1978; Орлов, 1990]. Результаты статистической обработки показали, что, действительно, торф близкой степени разложения как естественных, так и осушенных участков не имеет достоверных отличий в групповом составе. Так, при сравнении значений критерия Манна-Уитни ирасч для группового состава торфа естественных и осушенного участков с табличными значениями критерия было выявлено, что в большинстве случаев ирасч превышает икр (различия носят случайный характер). При этом расположение естественных участков относительно осушительной сети также не влияет на групповой состав торфа. Полученные результаты подтверждают мнение многих исследователей об устойчивости олиготрофных болот к осушению [Войтехов, 2012]. Заключение Исследования естественных и осушенных участков Иласской болотной системы показали, что проведенная около 50 лет назад мелиорация значительно не повлияла на состав органической части торфа. Так, статистически значимых различий между групповым составом слоев торфа одинаковой степени разложения как на естественных, так и на осушенном участке не обнаружено, при этом влияние удаленности участка от осушительной сети также достоверно не подтверждено.

Скачать электронную версию публикации