Geoecological assessment of the current state of upper bogs (Ryams) of the Barabin forest steppe under anthropogenic imp.pdf Введение Болота широко распространены на территории Западной Сибири. Этому способствовали специфические геоморфологические условия, относительно выровненный характер поверхности и слабая дрениро-ванность. Большая протяженность территории в меридиональном направлении определяет широкий спектр биоклиматических условий и разнообразие болотных экосистем (низинные, переходные, верховые), которые занимают в отдельных районах Западной Сибири от 30 до 80 % площади [Лисс и др., 2001; Наумов и др., 2009]. На территории Барабинской лесостепи расположены сосново-кустарничковосфагновые болота (рямы), которые по условиям водно-минерального питания относятся к верховым и характеризуются преимущественно атмосферным питанием. Атмосферные выпадения (дождь, снег) являются основным источником поступления химических элементов на их поверхность. В настоящее время рямы Барабинской лесостепи имеют характер фрагментов верховых болот, вкрапленных в низинные болота [Степанова, Волкова, 2017]. Верховые болота Барабинской лесостепи сформировались в конце суббореального периода в условиях похолодания и повышения влажности климата [Хазин и др., 2016]. В современных условиях глобального потепления возникла реальная угроза потери этих уникальных реликтовых комплексов, которые расположены на южной границе ареала распространения верховых болот и испытывают наибольшее влияние изменения климата и антропогенного воздействия. Большую тревогу вызывают пожары, о чем свидетельствуют анализ снимков в системе Google Earth данной территории и рекогносцировочные работы на местности: большая часть рямовых комплексов, отнесенных к категории региональных памятников природы, пройдена пожарами [Наумов и др., 2009; Степанова, Волкова, 2017]. Широкомасштабная мелиорация верховых болот Барабинской лесостепи в первой половине ХХ в. вызвала их обсыхание, а частые пожары обусловили снижение их биоразнообразия и биопродуктивности, уменьшение запасов торфа из-за его вторичного разложения и выгорания. В связи с этим становится вполне очевидной необходимость проведения комплексного геоэкологического мониторинга состояния верховых болот (рямов) лесостепной зоны Западной Сибири. Известно, что рямовые комплексы в естественном ненарушенном состоянии играют важную роль в поддержании уровня грунтовых вод, тем самым обеспечивая стабильное состояние природной среды прилегающих территорий [Лисс и др., 2001]. Верховые болота Барабинской лесостепи являются удобными и перспективными модельными объектами для геохимических и геоэкологических исследований. Погребенные залежи сфагнового торфа сохраняют химический состав по глубине стратифицированных горизонтов, тем самым отражая химический состав атмосферных выпадений в прошлом и настоящем [Гавшин и др., 2004; Бобров, Прейс, Бу-дашкина, 2013; Бобров и др., 2019]. В мире большое внимание уделяется изучению особенностей распределения химических элементов по глубине полных голоценовых разрезов торфяных залежей вплоть до подстилающих грунтов [Helmer, Urban, Eisenreich, 1990; Steinmann, Shotyk, 1997; Shotyk et al., 2001; Malawskaand, Wilkomirski, 2004; Gorham, Janssens, 2005; Kempter et al., 2017]. Подобные исследования верховых болот лесной и лесостепной зон Западной Сибири практически не проводились, за исключением немногочисленных работ по геохимии полных разрезов верховых торфяников [Ефремова и др., 2003; Прейс, Бобров, Сороковенко, 2010; Прейс и др., 2010; Архипов, Бернатонис, 2013; Бобров, Прейс, Будашки-на, 2013; Savichev, 2015; Stepanova et al., 2015; Савичев и др., 2019] и геохимии болотных вод данного региона [Савичев, Шмаков, 2012; Шварцев и др., 2012; Савичев, 2015]. Это и послужило причиной начать аналогичные исследования полных голоценовых разрезов верховых торфяников Барабинской лесостепи. Цель данной работы - исследовать геохимические процессы постседиментационных превращений органического и минерального вещества торфяных отложений и болотных вод, перераспределение химических элементов по глубине голоценовых разрезов торфяников, дать оценку степени антропогенного воздействия на верховые болота лесостепной зоны Западной Сибири на основе комплекса геохимических критериев. Объекты и методы исследований В сентябре 2017-2018 гг. опробованы два верховых болота Барабинской лесостепи. Убинское верховое болото (координаты 55°18'40'' с.ш., 79°42'25'' в.д.) расположено в Убинском районе Новосибирской области у с. Убинское. Шерстобитовское верховое болото (координаты 54о58'58'' с.ш., 81о00'58'' в.д.) - в Чулымском районе Новосибирской области у с. Шерстобитово (рис. 1). Выбраны наиболее показательные ключевые участки Шерстобитовского болота, находящегося в естественном ненарушенном состоянии и Убинского горелого болота -антропогенно нарушенного, имеющего признаки влияния мелиорации и пожаров. Проведено бурение торфяных залежей Убинского горелого ряма (керн 4 м) и Шерстобитовского ряма (керн 3 м) до подстилающих грунтов торфяным буром БТГ-1. Керны торфа были герметично упакованы в пластиковые трубы и до проведения химических анализов хранились в холодном помещении кернохранилища. Убинское Чулым Чулымский р-н Каргат Убинский р-н 55°- Новоспбирск от. Убинском i 20 км - /: С Иткуль J! Шерстобитово Л i FWWpr; юг Западной L._J ; Сибири vii.' ■ / I /, Рис. 1. Карта-схема района исследования (Барабинская лесостепь, Новосибирская область) 1 - Убинский горелый рям (Убинский район), 2 - Шерстобитовский рям (Чулымский район) Fig. 1. Schematic map of the study area (Barabinsk forest-steppe, Novosibirsk region) 1 - Ubinsky burnt ryam (Ubinsky district), 2 - Sherstobitovsky ryam (Chulymsky district) Выполнено геоботаническое обследование с описанием растительного покрова рямовых комплексов. Шерстобитовский рям в настоящее время представлен березово-сосново-кустарничково-сфагновым фитоценозом. Густой древесный ярус образован сосной обыкновенной Pinus sylvestris L. и березой пушистой Betula pubescens (Ehrh.). Напочвенный хорошо развитый сплошной моховой покров состоит преимущественно из сфагновых мхов Sphagnum magellanicum Brid. Убинский горелый рям представлен пирогенным березово-осиново-кустарничковым фитоценозом. Густой древесный ярус образован молодыми осинами (Populus tremula L.) и березами (B. pubescens). Напочвенный моховой покров состоит из сфагновых мхов Sphagnum fuscum (Schimp.) H. Klinggr, который под влиянием антропогенных факторов (мелиорация, пожары) в настоящее время сильно разрежен. Отбор проб дождевой и болотной воды проводили в сентябре 2017 г. В отобранной воде сразу замеряли неустойчивые физико-химические параметры -водородный показатель (pH) и окислительновосстановительный потенциал (Eh). Болотную и дождевую воду на гидрохимический анализ (катионы и анионы) не консервировали, а на микроэле-ментный анализ консервировали добавлением концентрированной азотной кислоты (о. ч.) из расчета 4 мл кислоты на 1 л раствора. Оценку степени антропогенного воздействия на компоненты рямовых комплексов на участках, пройденных пожарами, проводили путем сравнения содержания химических элементов на фоновых (прилегающих к пожарищу территориях) и выгоревших площадях по комплексу геохимических критериев согласно [Сает, Ревич, Янин, 1990]. Образцы мхов и лесной подстилки, обугленных при пожаре, а также подстилающей их почвы (верхние 5 см) на выгоревших участках отбирали стандартным стальным кольцом (диаметр 82 мм, высота 50 мм, объем 264 см3), обычно применяемом при геоэкологических исследованиях. Отбор проб мхов на фоновом участке, а также листьев березы и брусничника на обоих участках проводили вручную. Все образцы индикаторных компонент фоновых и антропогенно нарушенных биогеоценозов отбирали в пяти точках по линиям трансекты. Гидрохимический анализ (определение содержания ионов HCO3-, Cl-, SO42-, NO3-, NO2-, PO43-, NH4+, показателей биохимического (БПК) и химечского потребления кислорода (ХПК) в дождевых и болотных водах проведен комплексом общепринятых методов [ПНД Ф 14.1:2.96-97, 2004; ПНД Ф 14.1:2.159-2000, 2005; РД 52.24.493-2006, 2006; ГОСТ Р 57162-2016, 2016] в лаборатории контроля качества природных и сточных вод ФГУ «Верх-неОбьрегионводхоз». Анионы HCO3-, Cl- определяли титриметрическими методами анализа, SO42- -турбиметрическим, NO3-, NO2-, PO43- и NH4+ - фотометрическими методами анализа. Методом атомно-эмиссионной спектрометрии с индуктивно-связанной плазмой (ИСП АЭС) определены концентрации макрокомпонентов (K, Na, Ca, Mg) и микроэлементов (Al, Cr, Mn, Fe, Ni, Cu, Zn, As, Sr, Ag, Ba, Hg, Pb) в дождевых и болотных водах в аналитической лаборатории Института неорганической химии им. А. В. Николаева СО РАН. Методом атомно-абсорбционной спектрометрии (ААС) определены валовые концентрации Al, K, Na, Ca, Li, Mg, Hg, Pb, Cd, Cu, Zn, Ni, Cr, Co, Fe, Mn, Sr, Ag, Be, Au, As в образцах торфа и биообъектов в Центре коллективного пользования научным оборудованием для многоэлементных и изотопных исследований Института геологии и минералогии СО РАН (ЦКП МИИ СО РАН). Степень накопления химических элементов по глубине торфяных разрезов выражали отношением концентрации изучаемого элемента в торфе к концентрации опорного элемента (Al) и рассчитывали «коэффициенты обогащения» (Enrichment Factor - EF) согласно подходу [Shotyk et al., 1996]. Для выявления геохимической специфики торфов в качестве образца сравнения использовали выдержанные по химическому составу глинистые сланцы из сводки [Li, 1991]. Оценка геоэкологического состояния рямовых экосистем проведена по геохимическим критериям: 1. Коэффициент концентрации (Кс) характеризует степень концентрирования элемента в компонентах природной среды в зоне загрязнения относительно его фонового содержания [Авессаломова, 1987]: Кс=(Ci) / (Сф), где C - концентрация i-го химического элемента в зоне загрязнения; Сф _ фоновое содержание этого элемента. 2. Формула геохимической ассоциации (ФГА) [Са-ет, 1982; Сает, Ревич, Янин, 1990; Янин, 2002] характеризует качественный (элементный состав) и структуру геохимической аномалии (состав техногенного загрязнения) и представляет собой упорядоченную по значениям Кс совокупность (ранжированный ряд) химических элементов в природном объекте. Формула геохимической ассоциации изображается, например, так: Hg150-Cd110-Ag78-As51-Zn23-Pb11-Sb5, где цифровые индексы около символов химических элементов представляют их коэффициенты концентрации (Кс). Результаты и обсуждение Общая характеристика торфяных разрезов. Стратиграфия и изменение некоторых параметров (степень разложения торфа - R, значения рН, зольности, влажности и плотности) по глубине торфяников Шерстобитовского и Убинского горелого рямов представлены на рис. 2. На антропогенно нарушенном Убинском горелом ряме разрез торфяной залежи заложен в пониженной приозерной части. Исследованный участок расположен на периферии олиготрофного болота. Уровень болотных вод находится на глубине 24 см. Торфяная залежь имеет мощность 347 ем и состоит из двух слоев (рис. 2, а). Мощный слой верхового торфа (0257 ом) образован сфагновым-фускум (Sphagnum fuscum) торфом с прослойками пирогенного переходного древесного торфа на поверхности залежи. Нижний слой торфяной залежи (257-347 гм) образован различными видами низинных торфов - травяных (остатки рогоза, тростника, осок); древеснотравяных; сфагновых (Sphagnum teres). Ниже торфяной залежи (347-367 ем) залегают сапропелевидные органоминеральные отложения озерного генезиса (остатки макрофитов, прибрежно-водных растений, минеральная примесь), которые подстилаются минеральными отложениями (оглееный суглинок). Возраст торфяной залежи оценивается в 5,6 14С тыс. лет, возраст всего вскрытого разреза - в 6,2 14С тыс. лет. Рис. 2. Стратиграфия, возраст 14С , степень разложения (R), распределение pH, зольности, плотности, влажности по разрезам Убинского (а) и Шерстобитовского (b) торфяников Растительные остатки: 1 - Sphagnum fuscum (верховой торф), 2 - древесные остатки, 3 - разнотравье, 4 - S. teres, 5 - тростник, 6 - S. magellanicum (верховой торф), 7 - органоминеральные отложения, 8 - минеральные отложения Fig. 2. Stratigraphy, age 14C, degree of decomposition (R), distribution of pH, ash content, density, moisture along the sections of Ubinsky (a) and Sherstobitovsky (b) peat bogs Plant remains: 1 - Sphagnum fuscum (high moor peat), 2 - woody remains, 3 - forbs, 4 - S. teres, 5 - reed, 6 - S. magellanicum (high moor peat), 7 - organomineral deposits, 8 - mineral deposits На Шерстобитовском ряме, не тронутом пожарами и мелиорацией, разрез торфяной залежи заложен в западной части. Уровень болотных вод находится на глубине 14 см. Торфяная залежь смешанная, многослойная лесо-топяная, имеет мощность 250 ем и состоит из двух слоев (рис. 2, b). Верхний слой (070 ем) представлен верховым магелланикум-торфом (Sphagnum magellanicum) с прослойкой древесного торфа в интервале разреза (30-45 ем). Нижний слой (70-250 ем) мощностью 180 ем образован различными видами низинных травяных, древеснотравяных и сфагновых торфов. Торфяная залежь подстилается (250-270 см) органоминеральными отложениями, ниже которых залегают гумусированные минеральные отложения вплоть до глубины 280 ем, а глубже - светлые глины. Возраст торфяной залежи оценивается в 4,5 14С тыс. лет, возраст всего вскрытого разреза - в 5,0 14С тыс. лет. Распределение зольности по глубине голоценовых разрезов торфяных залежей в целом однотипно (рис. 2, a, b). Значения зольности довольно выдержаны с небольшой тенденцией увеличения с глубиной, незначительно отличаясь в слоях торфа верхового и низинного типов. Резкое увеличение зольности отмечается на границе перехода от торфов к органоминеральным и ниже к минеральным отложениям. Зольность поверхностного пирогенного слоя торфа Убинского горелого ряма (0-3 см) достигает максимального значения - 14,5 %, ниже по разрезу в слое торфа верхового типа она изменяется от 2,5 до 10,1 %, в слое торфа низинного типа незначительно повышается и варьирует в пределах значений 7,812,9 %. В слое органоминеральных отложений зольность резко увеличивается до 51-65 %, а в подстилающих минеральных отложениях достигает значений 83 %. Величина зольности в слое верхового торфа Шерстобитовского ряма варьирует в пределах 4,3-9,6 %, также незначительно повышается в слое низинного торфа, изменяясь в пределах 7,0-13,9 %, резко увеличивается в слое органоминеральных отложений до 54-87 % и достигает максимального значения в минеральных отложениях - 96 %. Распределение значений влажности торфа по разрезам исследуемых торфяников равномерно (рис. 2 a, b). В верховом торфе Убинского и Шерстобитовского рямов влажность варьирует в пределах 74-91 % и 88-91 % соответственно, в низинном торфе 78-94 и 83-91 %, в органоминеральных отложениях 63-79 и 40-78 %, в подстилающих минеральных отложениях уменьшается до 28 %. При значительном варьировании показателей плотности по разрезу торфяной залежи Убинского горелого ряма (45-187 г/дм3) средние ее значения для слоев верхового и низинного торфа различаются незначительно - 75,9 и 87,4 г/дм3 соответственно. В органоминеральных отложениях значение плотности увеличивается до 323 г/дм3. По разрезу торфяной залежи Шерстобитовского ряма плотность изменяется в пределах 42-203 г/дм3. Средние показатели плотности для верхового торфа составляют 56,8 г/дм3, для низинного торфа - 91,9 г/дм3, для органоминеральных отложений - 277 г/дм3, для минеральных отложений - 288 г/дм3. Распределение биогенных элементов и отношения C/N по разрезам торфяников. Торфяные разрезы Шерстобитовского и Убинского горелого верховых болот характеризуются выдержанными значениями органического углерода (Сорг) по всей глубине залежи (табл. 1). В торфяной залежи Шерстобитовского болота содержание Сорг изменяется в пределах 4548 %, в нижних интервалах на границе с органоминеральными отложениями значения Сорг резко падают до 10 %, а в подстилающих их минеральных отложениях до 3 %. В торфяной залежи Убинского горелого болота содержание Сорг находится в пределах 42-44 %, в органоминеральных отложениях снижается до 27-32 %, в минеральных отложениях падает до 8-3 %. Распределение водорода по разрезам торфяных залежей выдержанное. Концентрации Н в торфе очень близки для обоих торфяников и составляют 4,7-5,5 %, в органоминеральных отложениях - 3,3 4,1 %, в минеральных отложениях - 0,9 %. Установлено увеличение содержаний азота по глубине торфяных разрезов. В верховом торфе Шерстобитовского болота содержание N составляет 1,1 1,5 %, в низинном торфе оно несколько выше 2,5 3,3 %, в органоминеральных отложениях - 2,4 %, в минеральных отложениях - 0,5-0,9 %. В верховом торфе Убинского горелого болота содержание N находится в пределах 0,9-1,8 %, в низинном торфе -2,0-2,7 %, в органоминеральных отложениях падает до 0,4 %. Установлено, что в верховом торфе Убинского горелого болота до глубины 187 см содержания S ниже предела обнаружения (менее 0,2 %). Вниз по разрезу в низинном торфе наблюдается резкое увеличение содержания S от 0,88 до 3,65 % с последующим снижением концентраций в органоминеральных и минеральных отложениях до 1,0-1,4 %. Распределение S в торфе Шерстобитовского болота идет синхронно с распределением N. В верхних интервалах торфа (0-65 см) содержания серы также ниже предела обнаружения. Интервал низинного торфа (165-250 см) характеризуется самыми высокими значениями S от 3,51 до 3,0 %. Неоднородности в распределении основных биогенных элементов по разрезам исследованных торфяников хорошо маркируют смену ботанического состава торфа на разных этапах формирования болот. Увеличение содержания N по глубине торфяных залежей от верхового к низинным торфам обусловлено сменой видового состава растений - продуцентов органического вещества: сфагновые мхи, слагающие верховой торф, сменяются прибрежно-водной растительностью (тростник, рогоз) и разнотравьем, слагающими низинный торф. Изменение содержаний биогенных элементов, обусловленное сменой вещественного состава органического вещества, особенно ярко прослеживается в разрезе Шерстобитовского болота, где наблюдается четкая тенденция увеличения концентраций N и S по глубине разреза (табл. 1). Помимо смены вещественного состава органического вещества, резкое увеличение концентраций S по глубине разрезов торфяников может свидетельствовать о деятельности микроорганизмов, участвующих в восстановлении SO42- до H2S, что сопровождается образованием аутигенных сульфидов различных металлов, прежде всего пирита согласно [Leonova et el., 2021]. Также по [Юдович, Кетрис, 2011] рост содержания S в нижних интервалах торфа может быть связан с осернением органического вещества в процессе раннего диагенеза. Отношение органического углерода к органическому азоту (C/N) в вертикальных профилях торфяных залежей и сапропелевых отложениях является органо-геохимическим маркером источников поступления и генезиса захороненного органического вещества [Леонова и др., 2019], а также C/N-отношение маркирует смену ботанического состава торфа и является индикатором процессов гумификации [Borgmark, 2005]. Интервалы верхового торфа с преобладанием в ботаническом составе сфагнового мха характеризуются более высокими значениями отношения C/N (табл. 1). Так, в верховом торфе Убинского горелого болота C/N изменяется в пределах 24-74, Шерстобитовского болота - в пределах 30-44. Интервалы низинного травяного торфа с преобладанием в ботаническом составе прибрежноводных растений (тростник, рогоз), осок, вахты имеют существенно меньшие значения C/N. В низинном торфе Убинского горелого болота C/N изменяется в пределах 12-23, Шерстобитовского болота - в пределах 14-18. Таким образом, отношение C/N хорошо маркирует интервалы слоев верхового сфагнового и низинного травяного торфа. В целом для разрезов Убинского горелого и Шерстобитовского болот получены значимые коэффициенты корреляции отношения С/N и степени разложения торфа (г = -0,95 и -0,87), а также отношения С/N и глубины залежи (r = -0,61 и -0,76), что подтверждает тенденцию роста степени деструкции органического вещества с глубиной. Однако если для слоев верхового торфа этих разрезов коэффициенты корреляции отношения С/N и степени разложения торфа остаются значимыми (r = -0,93 и -0,71), то для слоев низинного торфа их значимость резко понижается (r = -0,47 и -0,27). Последнее обусловлено значительным разнообразием ботанического состава низинных торфов, влияющим на их степень разложения. Распределение химических элементов по разрезам торфяников. По коэффициентам корреляции все исследованные химические элементы хорошо разбиваются на группы (табл. 2). Первую группу составляют химические элементы, входящие в терригенную (обломочную) часть материала торфа -Li, Al, Na, K, Fe, Cr, Mn, Ni, для них характерна сильная прямая корреляция (до 0,98 %) с распределением зольности по разрезам. Они характеризуются относительно устойчивым увеличением концентраций от поверхности торфяников вглубь разреза к минеральным отложениям с ярко выраженным максимумом в минеральных отложениях, что обусловлено повышением их зольности. Вторую группу составляют Ca, Sr, частично Mg. Эти химические элементы характеризуются резким увеличением концентраций в средних и нижних интервалах, представленных низинным торфом. Третья группа - халькофильные элементы Pb, Sb, Hg, Cu, Zn, As, характеризующие загрязненность современной атмосферы. Для них характерны хорошо выраженные максимумы концентраций в верхних интервалах торфяников . Благородные металлы Ag и Au не имеют значимых коэффициентов корреляции с другими элементами, за исключением значимой положительной корреляции между Ag-As (r = 0,65) в Шерстобитовском торфянике. В целом для Au, Ag и As характерно отсутствие общих закономерностей в распределении по разрезам исследованных торфяников . Таблица 1 Распределение биогенных элементов и отношения C/N по разрезам торфяников Table 1 Distribution of nutrients elements and C/N ratios across peat sections Горизонт, см C, % H, % N, % S, % C/N Шерстобитовс кий торфяник S. magellanicum 44,48 5,18 0,77 0 58 5 45,48 5,18 1,46 0 30 20 47,62 5,31 1,08 0 44 35 48,15 5,1 1,46 0 33 50 48,29 5,42 1,39 0 35 65 48,19 5,19 1,34 0 36 80 48,53 4,95 2,75 1,65 18 105 47,1 5,25 3,02 2,32 16 135 46,74 5,47 3,25 3,03 14 150 46,21 5,4 3,21 2,99 14 165 45,77 5,12 3,3 3,51 14 180 45,01 5,1 3,22 3,37 14 195 44,92 5,02 3,11 3,74 14 Горизонт, см C, % H, % N, % S, % C/N 210 46,25 4,85 2,91 3,9 16 225 44,82 4,93 2,48 3,74 18 245 45,1 4,83 2,57 3,81 18 250 35,86 3,98 2,49 3,72 15 265 10,01 1,26 0,9 1,52 11 275 3,51 0,79 0,48 1,49 7 Убинский горелый торфяник S. fuscum 43,63 5,35 0,9 0 48 3 42,29 4,67 1,81 0 24 6 46,92 5,47 1,1 0 43 22 46,56 5,47 0,84 0 55 37 48,57 5,25 1,1 0 44 67 45,14 5,26 0,7 0 64 97 47,47 5,37 0,64 0 74 127 47,76 5,34 0,65 0 73 157 47,89 5,76 0,88 0 54 187 46,81 5,31 0,94 0,88 50 217 46,54 5,04 0,82 2,06 57 247 45,36 5,07 0,93 1,87 49 287 46,81 4,91 2,02 2,66 23 307 47,29 5,18 2,71 2,81 17 337 44,96 4,93 2,67 3,65 17 347 32,94 4,05 2,71 3,4 12 352 27,12 3,27 2,36 2,67 11 367 8,77 1,38 0,85 1,38 10 372 3,03 0,93 0,44 1 7 Таблица 2 Значимые коэффициенты корреляции (не менее 0,65) содержания химических элементов, зольности (Зол.) и Сорг в профилях Убинского (У) и Шерстобитовского (Ш) торфяников Table 2 Significant correlation coefficients (not less than 0.65) of the content of chemical elements, ash content (Ash.) and Corg in the profiles of the Ubinsky (U) and Sherstobitovsky (III) peat bogs Рям _Группа I Зол-Al Fe-Al Na-Al K-Al Mn-Al Co-Al Ni-Al Li-Al Cr-Al Mg-Al Fe-Mn Fe-C орг У 0,96 0,97 0,98 0,98 0,93 0,98 0,99 0,93 0,96 0,99 0,94 -0,67 Ш 0,99 0,97 0,99 1,00 0,76 0,94 0,93 1,00 0,98 - 0,86 -0,97 Рям Группа II Группа III Ca-Sr Ca-Mg Mg-Sr Cu-Zn ^^орг ^^орг Pb-Sb Pb-Hg Pb-Cd As-Cu As-Zn As-Ag У 0,78 - - 0,96 - - 0,91 - - 0,87 0,80 - Ш 0,99 0,89 0,88 0,95 -0,90 -0,88 0,76 0,85 0,75 0,74 0,77 0,65 Распределение химических элементов по разрезам исследованных торфяников представлено в табл. 3, 4. Стоит отметить, что для Al, K, Na, Fe увеличение их содержания в верхних интервалах торфа связано с атмосферным питанием верховых болот и поступлением данных химических элементов с атмосферной пылью. Так, для верхнего интервала торфа (0-5 см) в Убинском горелом торфянике установлены следующие содержания - Al (1,1 %), K (0,25 %), Na (0,11 %) и Fe (0,8 %), в Шерстобитовском - Al (0,46 %), K (0,1 %), Na (0,07 %) и Fe (0,17 %). Поскольку Al является одним из основных зольных компонентов торфов, то, соответственно, с увеличением зольности в разрезах торфяников синхронно увеличиваются концентрации Al в расчете на сухую массу торфа. Алюминий находится в торфяниках Убинского горелого и Шерстобитовского верховых болот в составе тонкодисперсных глинистых минералов. Таким образом, по сходству распределения Al, Fe, K, Na по разрезам торфяников (табл. 3, 4) можно сделать заключение об едином источнике поступления силикатного и алюмосиликатного материала - с атмосферными выпадениями (пыль). Распределения Fe и Mn тесно коррелируют между собой (см. табл. 2), что отражает сходную направленность биогеохимической миграции данных химических элементов в ходе формирования торфяных залежей. Источником их поступления на поверхность верховых торфяников являются атмосферные выпадения. Большую роль в геохимии Fe и Mn играют окислительно-восстановительные условия согласно [Ефремова и др., 2003]. Поверхностный слой торфяной залежи (0-5 см) характеризуется значениями Eh > 0 и является окислительным геохимическим барьером, на котором концентрируются химические элементы с переменной степенью окисления - Fe и Mn (табл. 3, 4). Поэтому, помимо атмосферного привноса, увеличение концентраций Fe и Mn в верхних интервалах торфяников может быть связано с окислением здесь восстановленных форм Fe и Mn, поступающих с болотными водами из нижних горизонтов торфяников с восстановительной обстановкой. В исследованных торфяниках установлено увеличение концентраций Ca (частично Mg, Sr) от верхних (0-60 см, Шерстобитовское болото) и средних (0-112 см, Убинское горелое болото) к более глубоким участкам торфяных залежей (табл. 3, 4). Распределение Ca определенным образом дифференцировано по разрезам торфяников: верхний горизонт, представленный главным образом слаборазло-жившимися сфагновыми торфами, несколько обеднен кальцием (0,30-0,58 %) в отличие от основной залежи (1,04-1,37 %). Установлено, что в верховом торфе исследованных болот содержится меньше Ca по сравнению с низинным типом торфа, возможно, за счет выноса его приповерхностным стоком, что приводит к частичному обеднению кальцием верхних горизонтов торфяников. Рост содержания Ca в более глубоких слоях (низинный торф) косвенно указывает на изменение водного режима и обводненности болот на ранних этапах их развития в голоцене. Так, средние содержания кальция в интервалах низинного торфа для Убинского горелого (250372 см, Ca = 1,37 %) и Шерстобитовского болот (70275 см, Ca = 1,45 %) близки к содержаниям Ca (0,783,00 %) для торфов низинного типа Западной Сибири по данным [Архипов и Бернатонис, 2013; Веретенникова, 2013], а средние содержания кальция в интервалах верхового торфа Убинского горелого (0112 см, Ca = 0,52 %) и Шерстобитовского болот (060 см, Ca = 0,40 %) близки к содержаниям Ca (0,181,00 %) для торфов верхового типа болот Западной Сибири согласно [Архипов, Бернатонис, 2013; Веретенникова, 2013]. Таблица 3 Распределение химических элементов по разрезу Убинского горелого торфяника Table 3 Distribution of chemical elements along the Ubinsky burnt peat bog section Гор-т, см Fe Al Ca Mg К Na Cr Be Co Ni Cu Pb Zn Mn Cd Sb Li Sr As Hg Au Ag % мг/кг мкг/кг Мох 0,51 0,53 0,67 0,12 0,19 0,064 12,0 0,20 1,5 5,5 11 30 48 270 0,21 0,79 1,9 40 - - - - 3 0,80 1,10 0,69 0,13 0,25 0,11 16,0 0,52 3,1 9,3 16 80 40 198 0,11 1,3 3,5 94 3 35 2,7 77 6 0,30 0,52 0,53 0,068 0,078 0,049 6,9 0,18 1,2 3,9 7,2 38 6,3 20 0,048 0,54 1 78 1,9 40 4,6 430 10 0,19 0,29 0,59 0,077 0,049 0,028 4,8 0,11 0,77 2,2 4 15 4 14 0,023 0,3 0,65 77 1 32 1,1 21 14 0,20 0,25 0,53 0,078 0,04 0,023 4,1 0,091 0,67 2,1 4,1 14 4,3 16 0,025 0,33 0,53 71 2,2 31 2,1 54 18 0,17 0,21 0,55 0,079 0,005 0,019 3,9 0,092 0,57 2,0 3,6 7,4 3,5 11 0,018 0,23 0,43 70 1,8 20 0,1 160 22 0,13 0,17 0,61 0,087 0,033 0,022 4,0 0,061 0,6 1,4 3,1 3,2 4 2,5 0,009 0,14 0,53 55 1,8 18 5,7 250 37 0,13 0,21 0,49 0,074 0,029 0,023 3,6 0,065 0,84 1,7 3,3 6,5 6 11 0,039 0,16 0,49 62 1,1 19 7,7 70 52 0,079 0,24 0,49 0,073 0,037 0,031 3,5 0,055 0,43 1,1 3 1,5 5,5 12 0,016 0,01 0,65 63 0,8 15 0,1 110 67 0,072 0,15 0,49 0,071 0,023 0,026 3,1 0,045 0,36 0,94 2,7 2,4 6,6 15 0,013 0,1 0,56 58 1,9 13 0,1 73 82 0,073 0,13 0,46 0,067 0,013 0,024 3,7 0,031 0,34 0,05 1,3 1,4 7,3 13 0,048 0,01 0,47 62 0,05 22 0,1 820 97 0,06 0,01 0,43 0,052 0,014 0,026 3,8 0,033 0,32 0,05 1,5 0,1 5,8 13 0,01 0,01 0,43 43 0,86 17 4,2 2 500 112 0,062 0,02 0,45 0,056 0,017 0,023 3,9 0,036 0,26 0,05 1,9 0,1 6,3 14 0,017 0,01 0,41 65 0,92 18 1,2 1 600 127 0,071 0,05 0,71 0,063 0,025 0,037 4,2 0,048 0,29 0,05 2,2 0,1 7,1 18 0,18 0,01 0,6 82 0,76 12 0,1 170 142 0,074 0,11 0,74 0,065 0,043 0,049 4,9 0,08 0,41 0,57 2,2 0,1 6,6 20 0,022 0,01 0,83 97 0,05 20 3,2 240 157 0,067 0,03 0,86 0,064 0,018 0,024 3,9 0,059 0,28 0,05 1,9 0,1 6,6 18 0,02 0,01 0,44 104 0,87 22 2,4 830 172 0,071 0,1 0,91 0,067 0,030 0,036 4,9 0,058 0,3 0,91 3,2 0,1 7,4 20 0,042 0,01 0,54 110 0,56 24 0,1 400 187 0,065 0,38 1,03 0,064 0,078 0,06 5,4 0,12 0,33 1,7 3,3 1,4 6,2 23 0,033 0,01 0,92 98 0,64 18 0,1 10 202 0,16 0,32 1,08 0,075 0,076 0,054 5,4 0,14 0,6 1,8 3,5 1,3 7,2 41 0,034 0,01 0,93 104 2 19 3,5 150 217 0,062 0,15 1,60 0,081 0,021 0,021 3,1 0,076 0,78 0,95 2,7 0,1 5,5 35 0,019 0,01 0,51 95 0,86 21 1,1 510 232 0,072 0,18 1,70 0,078 0,033 0,025 4,1 0,088 0,57 1,1 2,1 0,1 5,2 38 0,047 0,01 0,59 115 0,05 9 0,1 17 247 0,06 0,04 1,70 0,082 0,019 0,021 3,4 0,054 0,58 0,64 2,8 0,1 6,5 34 0,06 0,01 0,52 150 0,95 25 0,1 90 262 0,24 0,12 1,80 0,07 0,032 0,024 3,5 0,07 0,74 1,2 3,3 0,1 11 54 0,042 0,01 0,57 102 1,1 21 0,1 75 287 0,089 0,13 1,80 0,071 0,029 0,021 3,0 0,059 0,48 1,3 1,7 0,1 4,7 51 0,04 0,01 0,57 114 0,05 10 0,1 110 292 0,079 0,14 1,80 0,072 0,027 0,02 2,8 0,049 0,49 1,2 1,9 0,1 5 49 0,034 0,01 0,57 113 0,54 14 0,1 58 307 0,11 0,20 1,70 0,066 0,044 0,027 3,7 0,074 0,61 2,1 2,6 0,1 12 54 0,029 0,01 0,76 105 1,4 18 0,1 23 322 0,15 0,18 2,10 0,071 0,038 0,026 3,6 0,071 0,81 2,4 3,4 0,1 12 77 0,034 0,01 0,7 117 1,3 15 5,8 48 337 0,83 0,94 1,80 0,15 0,300 0,15 17,0 0,37 4,5 11 9,9 2,2 43 114 0,077 0,13 3,9 108 2,3 19 3,7 270 352 1,59 3,10 1,70 0,34 0,900 0,56 36,0 0,96 6,9 25 22 6,8 65 191 0,11 0,11 10,4 107 3,6 10 1,4 68 367 2,82 3,80 0,93 0,46 1,600 0,99 76,0 2,0 9,4 29 29 14 68 278 0,094 0,69 29 96 3,2 6 1,4 98 372 3,09 3,40 0,72 0,38 1,150 0,87 83,0 1,8 10 32 30 14 63 287 0,09 0,71 32 114 6,3 5 0,1 1 000 Таблица 4 Распределение химических элементов по разрезу Шерстобитовского торфяника Table 4 Distribution of chemical elements along the Sherstobitovskiy peat bog section Гор-т, см Fe Al Ca Mg К Na Cr Be Co Ni Cu Pb Zn Mn Cd Sb Li Sr As Hg Au Ag % мг/кг мкг/кг 5 0,17 0,46 0,32 0,071 0,1 0,069 4,4 0,13 0,77 3,1 4,1 36 11 18 0,53 0,53 1,1 41 0,01 72 3,9 68 10 0,14 0,3 0,29 0,062 0,069 0,047 2,3 0,098 0,64 2,3 3,9 24 9 10 0,16 0,38 0,59 43 0,01 57 1,7 200 15 0,13 0,25 0,3 0,069 0,055 0,037 1,5 0,096 0,79 2 2,8 16 6,5 8 0,09 0,25 0,49 45 1,2 48 0,1 1 20 0,12 0,21 0,3 0,066 0,049 0,036 1,3 0,079 0,56 1,9 2,7 11 5,6 7 0,064 0,23 0,39 47 0,9 31 0,1 25 35 0,13 0,22 0,47 0,089 0,036 0,042 1,6 0,069 0,77 1,8 2,3 4,1 5 8 0,049 0,12 0,49 70 0,75 41 4,4 25 45 0,13 0,31 0,55 0,11 0,049 0,048 2,4 0,081 0,61 2 3 3,1 4,2 11 0,034 0,01 0,64 90 1,1 34 1,9 50 60 0,12 0,36 0,58 0,13 0,053 0,057 2,3 0,11 0,65 2 3,7 3,2 3,6 11 0,18 0,01 0,72 95 0,84 19 1,2 12 70 0,14 0,29 0,9 0,19 0,035 0,05 1,9 0,12 1,1 1,7 2,9 2,1 2,5 13 0,064 0,01 0,64 150 0,01 19 0,1 1 80 0,15 0,26 1,1 0,22 0,027 0,033 1,7 0,09 0,83 2,2 2 1,2 1,4 10 0,05 0,01 0,61 190 0,89 24 0,1 32 90 0,15 0,23 1,2 0,25 0,028 0,031 2 0,066 0,93 2,1 2,3 0,1 2 12 0,041 0,01 0,57 200 0,56 18 2,1 360 105 0,17 0,28 1,5 0,33 0,053 0,042 3,5 0,081 1 3,3 4,6 0,1 3,8 24 0,15 0,01 0,89 220 1,3 18 18 61 120 0,13 0,2 1,6 0,34 0,042 0,032 2,2 0,07 0,79 2,8 3,2 0,1 4,8 37 0,04 0,01 0,79 220 1,9 8 1,6 260 135 0,23 0,25 1,5 0,35 0,05 0,036 2,3 0,069 0,83 3 3 0,1 7,1 45 0,036 0,18 0,85 210 0,81 13 13 110 150 0,22 0,29 1,5 0,37 0,062 0,043 3,6 0,083 0,94 3,4 4 0,1 13 59 0,035 0,01 0,98 220 0,95 13 1,8 87 165 0,32 0,29 1,6 0,38 0,064 0,047 2 0,082 0,92 3,4 3,9 0,1 12 84 0,036 0,01 1,1 240 0,67 14 1,9 56 180 0,36 0,33 1,8 0,42 0,075 0,055 3,1 0,099 1,3 3,8 3,8 0,1 8,9 92 0,031 0,01 1,2 260 1 17 5,1 350 195 0,27 0,28 1,9 0,44 0,056 0,043 3 0,084 1,2 3,1 3,3 1 7,4 119 0,034 0,10 1 290 1,2 11 0,1 60 210 0,19 0,23 1,7 0,38 0,047 0,037 1,9 0,076 0,77 3,5 3,6 0,1 11 105 0,038 0,01 0,77 250 1,7 7 6,8 220 225 0,17 0,26 1,7 0,41 0,053 0,044 2,5 0,085 0,95 4,1 4,3 0,1 12 104 0,017 0,12 0,85 250 1,3 14 0,1 130 240 0,37 0,32 1,8 0,4 0,062 0,048 3 0,091 1,7 5,5 5 0,1 24 124 0,046 0,17 1 260 1,7 22 1,5 73 245 0,56 0,38 1,8 0,41 0,082 0,06 2,6 0,12 2,2 6,8 8,6 0,1 28 123 0,069 0,21 1,1 260 1,9 17 0,1 57 250 0,9 1,6 1,5 0,33 0,43 0,27 18 0,53 3 11 19 3,9 42 146 0,15 0,12 4,3 220 2,8 11 26 610 255 1,1 2,7 1,3 0,4 0,73 0,49 26 0,8 3,9 15 29 4,5 54 188 0,3 0,27 7,4 170 3,1 17 5,5 750 265 1,6 3,8 0,92 0,4 1,25 0,91 37 1,8 5 18 31 9,6 53 211 0,26 0,49 11 140 2,2 6 0,1 74 275 1,7 5 0,75 0,4 1,56 1,1 35 1,5 4,6 16 21 11 49 201 0,15 0,52 15 120 1,9 21 4,3 340 Верхние интервалы разреза Шерстобитовского торфяника характеризуются повышенными концентрациями халькофильных элементов As, Cd, Sb, Hg и Pb, в Убинском горелом торфянике кроме того добавляются еще Cu и Zn (см. табл. 3, 4). Так, для Убинского горелого торфяника в интервале 0-20 см отмечены концентрации Cu, равные 3,1-16,0 мг/кг, Zn - 40 мг/кг, As - 1,8-3,0 мг/кг, Cd - 0,11 мг/кг, Sb - 1,3 мг/кг, Hg - 0,02-0,04 мг/кг, Pb - 7,4-80,0 мг/кг. Для Шерстобитовского торфяника в интервале 0-10 см отмечены концентрации Cd в пределах 0,2-0,5 мг/кг, As - 0,01-1,2 мг/кг, Sb - 0,4-0,5 мг/кг, Hg - 0,050,07 мг/кг, Pb - 24-36 мг/кг. Повышение концентраций халькофильных элементов (Cu, Zn, As, Cd, Sb, Hg, Pb) в верхних интервалах исследованных торфяников можно связать с поступлением их из атмосферы в XX и XXI вв. как за счет природных, так и техногенных факторов [Гавшин и др., 2004; Бобров, Прейс, Будаш-кина, 2013; Бобров и др., 2019]. Полученные аналитические данные по концентрациям химических элементов позволили выявить особенности обогащения ими торфа по глубине стратифицированных разрезов с помощью коэффициентов обогащения (Enrichment Factor - EF) в сравнении с подстилающими органоминеральными отложениями и продуцентами органического вещества. Установлено обогащение (EF = 15,9-36,7) верхних горизонтов торфа халькофильными элементами Pb, Cd, Sb, As, Hg (рис. 3). Так, для верхних горизонтов (0-22 см) Убинско-го горелого торфяника значения EF составляют: Pb (20,5), Cd (2,3), Sb (5,8), As (3,9), Hg (24,2). Для верхних горизонтов (5-70 см) Шерстобитовского торфяника значения EF составляют: Pb (15,9), Cd (11,3), Sb (3,4), As (1,4), Hg (36,7). Выявлено существенное обеднение верхних горизонтов торфа Mn: EF = 0,62 (Убинский горелый торфяник) и 0,34 (Шерстобитовский торфяник), а также Li: EF = 0,30 (Убинский торфяник) и 0,25 (Шерстобитовский торфяник). Средние горизонты торфяников характеризуются существенным обогащением Ca, для которого EF = 61,6 (Убинский горелый торфяник) и 29,2 (Шерстобитовский торфяник), Sr: EF = 29,7 (Убинский горелый торфяник) и 23,1 (Шерстобитовский торфяник), а также незначительно Mg: EF = 4,5 (Убинский горелый торфяник) и 7,1 (Шерстобитовский торфяник). Отмечается обеднение средних интервалов торфа Pb: EF = 1,71 (Убинский горелый торфяник) и 0,38 (Шерстобитовский торфяник). Рис. 3. Коэффициенты обогащения (EF) биопродуцентов и разных типов торфов химическими элементами относительно кларков глинистых сланцев с предварительным нормированием на Al Убинское болото: 1 - мох Sphagnum fuscum, 2 - торф, 0-22 см, 3 - торф, 37-337 см, 4 - органоминеральные осадки, 352-372 см; Шерстобитовское болото: 5 - верховой торф, 5-70 см, 6 - низинный торф, 80-245 см, 7 - органоминеральные осадки, 250265 см Fig. 3. The enrichment factors (EF) of bioproducers and different types of peats in chemical elements relative to the clarkes of shales with preliminary normalization to Al Ubinskoe bog: 1 - Sphagnum fuscum moss, 2 - peat, 0-22 cm, 3 - peat, 37-337 cm, 4 - organic-mineral sediments, 352-372 cm; Sher-stobitovskoe bog: 5 - high moor peat, 5-70 cm, 6 - lowland peat, 80-245 cm, 7 - organomineral sediments, 250-265 cm По всей глубине исследованных торфяников наблюдается обогащение Au и Ag, однако более глубокие интервалы (80-337 см) обогащены значительнее Au: EF = 76,1 (Убинский горелый торфяник) и 48,6 (Шерстобитовский торфяник), Ag: EF = 96,3 (Убинский горелый торфяник) и 63,7 (Шерстобитовский торфяник), чем вышележащие интервалы (070 см), где значения EF составляют для Au - 30,7 (Убинский горелый торфяник), 17,6 (Шерстобитовский торфяник) и для Ag - 65,1 (Убинский горелый торфяник), 17,7 (Шерстобитовский торфяник). При этом для Убинского горелого торфяника обогащение Au и Ag значительно выше, чем для Шерстобитовского торфяника. Для продуцентов органического вещества торфа Убинского горелого торфяника (мха Sphagnum fuscum) характерно обогащение Cu (7,6), Zn (27,7), Mn (16,7), Cd (19,7), Sb (4,3) и особенно Pb (72,6). Химический состав атмосферных (дождевых) и болотных вод. В водном балансе верховых болот основное значение имеют атмосферные осадки. Поэтому, помимо химического состава болотных вод Убинкого горелого, Большого Убинского и Шерстобитовского рямов, были исследованы дождевые воды. Дождевые воды по преобладающим ионам, согласно классификации [Алекин, 1970], относятся к гидрокарбонатному классу группе кальция (табл. 5), по окислительно-восстановительным условиям - к типу окисленных кислородных (Eh = +0,335 В, растворенный О2 - 7,3 мг/л), по щелочно-кислотным условиям - к классу нейтральных (рН = 6,54), по величине общей минерализации (16,8 мг/л) - к семейству ультрапресных вод согласно [Перельман, 1982]. Биохимическое потребление кислорода (БПК5 - показатель, характеризующий содержание легкоокисляемых органических веществ по количеству израсходованного на их окисление кислорода в течение 5 сут) составляло - 0,94 мг О2/л, ХПК - показатель, характеризующий суммарное содержание в воде трудноокисляемых органических веществ по количеству израсходованного на окисление кислорода - 8,9 мг О2/л. Окисляемость (бихроматная) -3,76 мг/л. Болотные воды Убинского горелого ряма по преобладающим ионам, согласно [Алекин, 1970], относятся к гидрокарбонатному классу группе кальция (табл. 5), по окислительно-восстановительным условиям - к типу окисленных кислородных (Eh = +0,320 В, растворенный О2 - 6,8 мг/л), по щелочно-кислотным условиям - к классу кислых (рН = 4,59), по величине общей минерализации (71,5 мг/л) - к семейству уль-трапресных вод согласно [Перельман, 1982]. БПК5 составляло 6,8 мг О2/л, ХПК - 922 мг О2/л. Окисляе-мость (бихроматная) - 224 мг/л. Болотные воды Большого Убинского ряма, находящегося вблизи с. Убинское в естественном состоянии (не нарушенном мелиорацией и пожарами), по преобладающим ионам, согласно [Алекин, 1970], относятся к гидрокарбонатному классу группе кальция (табл. 5), по окислительно-восстановительным условиям - к типу окисленных кислородных (Eh = +0,278 В, растворенный О2 - 2,8 мг/л), по щелочнокислотным условиям - к классу кислых (рН = 3,73), по величине общей минерализации (182,4 мг/л) - к семейству ультрапресных вод согласно [Перельман, 1982]. БПК5 составляло 7,5 мг О2/л, ХПК - 565 мг О2/л. Окисляемость (бихроматная) - 216 мг/л. Болотные воды Шерстобитовского ряма по преобладающим ионам, согласно [Алекин, 1970], относятся к гидрокарбонатному классу группе кальция (табл. 5), по окислительно-восстановительным условиям - к типу окисленных кислородных (Eh = +0,260 В, растворенный О2 - 4,7 мг/л), по щелочно-кислотным условиям - к классу кислых (рН = 3,76), по величине общей минерализации (43,0 мг/л) - к семейству уль-трапресных вод согласно [Перельман, 1982]. БПК5 составляло 5,5 мг О2/л, ХПК - 682 мг О2/л. Окисляе-мость (бихроматная) - 180 мг/л. Низкие значения pH болотных вод обусловлены разложением органических веществ в аэробных условиях, приводящим к поступлению в воду CO2, фульвокислот и других органических кислот. Ниже по разрезу торфяных залежей деструкция органического вещества идет в анаэробных условиях, приводящих к снижению PCO2, что на фоне роста зольной компоненты, содержаний Ca и HCO3-, приводит к повышению pH до слабощелочных значений. Подщелачивание среды может осуществляться также за счет выделения NH3 при минерализации микроорганизмами азотосодержащего органического вещества согласно [Юдович, Кетрис, 2011]. В процессе разложения растительных остатков в болотных водах исследованных торфяников происходит значительное увеличение концентраций растворенного органического углерода (Сорг), NH4+, NO3- и показателей БПК, ХПК по сравнению с дождевой водой (табл. 5). Высокие содержания этих компонентов в болотных водах указывают на активные процессы биохимического распада и окисления органического вещества. Более высокие показатели ХПК, NH4+ и HCO3- в болотных водах Убинского горелого торфяник

Скачать электронную версию публикации